Dissertação Felipe Gonçalves - Sistemas de Comunicação e

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO E AUTOMAÇÃO
FELIPE GONÇALVES DOS SANTOS
PLATAFORMA COMPUTACIONAL PARA ENSINO E
TREINAMENTO DE PROFISSIONAIS DO SETOR ELÉTRICO
MOSSORÓ-RN
2013
FELIPE GONÇALVES DOS SANTOS
PLATAFORMA COMPUTACIONAL PARA ENSINO E
TREINAMENTO DE PROFISSIONAIS DO SETOR ELÉTRICO
Dissertação de mestrado acadêmico apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Comunicação e Automação, como
requisito para a obtenção do título de Mestre
em Sistemas de Comunicação e Automação
Linha de pesquisa :
Sistemas de Comunicação e Automação
Orientador
Dr. Iguatemi Eduardo da Fonseca
MOSSORÓ-RN
Ficha catalográfica preparada pelo setor de classificação e
catalogação da Biblioteca “Orlando Teixeira” da UFERSA
S237p Santos, Felipe Gonçalves dos.
Plataforma computacional para o ensino e treinamento
de profissionais do setor elétrico. / Felipe Gonçalves dos
Santos. -- Mossoró, 2013.
80f.: il.
Dissertação (Mestrado em Sistemas de comunicação e
Automação: Área de concentração em Sistemas de
comunicação e Automação) – Universidade Federal Rural
do Semi-Árido. Pró-Reitoria de Pós-Graduação.
Orientador: Prof. Dr. Iguatemi Eduardo da Fonseca
1. Simulador de procedimentos. 2. Plataforma
educacional. 3.Setor elétrico. 4. Realidade virtual. I.
Título.
CDD: 004
Bibliotecária: Vanessa Christiane Alves de Souza
CRB-15/452
Dedicatória
Dedico esse trabalho as moças, Franeide (mãe) e Maria Isabel (irmã), que me mantém
forte a cada dia.
Agradecimentos
A Deus, pela condição de poder me aperfeiçoar, por manter-me rme, mesmo nas
diculdades, pois sempre havia alguém para nos trazer a palavra do Senhor, transendo
conforto e paz.
Agradecimento especial a minha mãe, por ser um exemplo de pessoa e pelo apoio,
suporte e carinho sem os quais esta jornada não teria sido possível e me fazer acreditar
no estudo como meio de tornarme melhor e ter uma vida digna.
Ao professor Iguatemi, por suas orientação em momentos de indecisões, paciência e
conança no meu trabalho.
Minha irmã por ajudar em diversos momentos durante esses dois anos com palavra
de apoio.
Minha avó por suas palavras de motivação, perseverança e orações por mim.
Aos meus tios, por seus conselhos e broncas ao longo dos anos, e pelo apoio em vários
momentos.
Aos amigos Francisco Aelyson, Thiago Reis, Ricardo, José Ricardo, José Jeovane,
Erasmo Artur por estarem em sempre presentes em momentos que precisei.
Aos professores que me ajudaram a contruir a base e a sustenção educacional com
conselhos em horas de indecisões que me ajudaram a sonhar ainda mais alto a cada dia.
A UFPB e UFERSA por proporcionar estrutura necessária aos projetos que participei
durantes a pós-graduação.
Externo meus agradecimentos aos professores Dr. Edson G. Costa e Dr. Tarso Vilela
por inúmeras discussões sobre o assunto, o CNPq pela bolsa de estudos que recebi durante
praticamente toda minha formação acadêmica.
Epígrafe
Quantas coisas perdemos por medo de perder.
Paulo Coelho
PLATAFORMA COMPUTACIONAL PARA ENSINO
E TREINAMENTO DE PROFISSIONAIS DO SETOR
ELÉTRICO
Autor: Felipe Gonçalves dos Santos
Orientador(a): Dr. Iguatemi Eduardo da Fonseca
Resumo
Essa dissertação apresenta a concepção, projeto e implementação de um ambiente educacional baseado em realidade virtual para estudo e compreensão de operações do setor
elétrico, com o intuito de ajudar prossionais que constantemente realizam operações de
risco, como troca de isoladores em linha viva. O simulador apresenta um sistema realístico
ao operador fazendo alusão a ambientes encontrados em seu cotidiano, apresentando sinais
de alerta e mensagens de erro ao praticarem ações prematuras ou precipitadas à ação corrente. Na dissertação também é proposta uma arquitetura com a nalidade de acelerar o
desenvolvimento de aplicações de treinamento. Também é apresentada a motivação para
o projeto e o processo de atividade do simulador que tem como objetivo principal auxiliar no desenvolvimento de novas aplicações de treinamento utilizando realidade virtual,
focando principalmente na prática de procedimentos, com a possibilidade de monitoramento e avaliação de desempenho do operador. Por m, são discutidos os resultados dos
estudos, da pesquisa e da implementação do simulador e são propostos trabalhos futuros
no desenvolvimento do simulador.
Palavras-chave : simulador de procedimentos, plataforma educacional, setor elétrico, realidade virtual.
COMPUTATIONAL PLATFORM FOR EDUCATION
AND TRAINING PROFESSIONALS POWER
SECTOR
Author: Felipe Gonçalves dos Santos
Leade: Dr. Iguatemi Eduardo da Fonseca
Abstract
This work presents the conception, design and implementation of an educational environment based on virtual reality to study and understanding of operations of the electric
sector, in order to help professionals who constantly perform risky operations such as
replacement of insulators live line. The simulator provides a realistic system giving the
illusion of environments found user in their daily lives, with warning signs and error
messages to the practice or premature actions precipitated the current action. In the
dissertation is also proposed an architecture in order to accelerate the development of
training applications. Also it is presented the motivation for the project activity and the
processor simulator that has as main objective to assist in the development of new applications using virtual reality training, focusing mainly on practical procedures, with the
possibility of monitoring and evaluation of these exercised by the operator. Finally, we
discuss the results of the studies, research and implementation of the simulator and it
proposes future work in developing the simulator.
Keywords : simulator procedures, education platform, electrical sector, virtual reality.
Lista de guras
1
Ambiente virtual 3D .Fonte: (UNITY, 2010).
. . . . . . . . . . . . . . .
p. 21
2
Imagem Jogo de Age of Empires III. Fonte: (MICROSOFT, 2005). . . . .
p. 24
3
Simulador utilizado para navegação em plataformas de petróleo. Grupo
de Simulação e Controle em Automação - GSCAR da UFRJ.Fonte: (GSCAR,
2010).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 25
4
Teclado e o Kinect para Xbox 360. Fonte: (MICROSOFT, 2005). . . . . .
p. 26
5
Simulador Legacy 650 produzido pela Embraer.Fonte: (EMBRAER, 2010).
p. 26
6
Sistema Esope-VR. Fonte: (GARANT, 1995).
. . . . . . . . . . . . . . .
p. 30
7
Visão interna da UHE. Fonte: (MARCOS et al., 2007). . . . . . . . . . . .
p. 31
8
Fechamento da válvula. Fonte: (PAMPLONA; CAIO, 2011). . . . . . . . .
p. 31
9
Menu principal da aplicação. Fonte: (BELLOC, 2011).
p. 32
10
Desmontagem da unidade geradora. Fonte: (BELLOC, 2011).
11
Modelo proposto para desenvolvimento de simuladores de procedimentos.
12
Alguns tipos de isoladores usado em linhas de transmissão. Fonte: (ELETROESTERS,
2010).
. . . . . . . . . .
. . . . . .
p. 32
p. 36
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 46
13
Poste com Isolador (Fonte: (BELLOC, 2011)). . . . . . . . . . . . . . . .
p. 47
14
Troca de isolador em linha viva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 49
15
Diagrama de uso do simulador.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 53
16
Diagrama de sequência do simulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 54
17
Tela de abertura do simulador ATreVEE 3D. . . . . . . . . . . . . . . .
p. 55
18
Solicitação de dados do Operador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 56
19
Modos de operação presentes no simulador. . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 56
20
Sala de Ferramentas presente do Modo Sequencial. . . . . . . . . . . . .
p. 57
21
Visão arquitetural do ARTreVEE 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 57
22
Ativando ação com o cursor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 59
23
Processo de atividade do Simulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 60
24
Interface do editor de cena da Unity 3D. Fonte: (UNITY, 2010). . . . . .
p. 64
25
Interface do editor Blender. Fonte: (BLENDER, 1998b).
. . . . . . . . .
p. 64
26
Funcionamento geral das ferramenta Unity 3D. . . . . . . . . . . . . . .
p. 65
27
Exemplo do processo de texturização UV em uma malha quadrangular
de uma esfera. Fonte: (DINIZ, 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 67
28
Textura do modelo tridimensional do personagem. . . . . . . . . . . . .
p. 68
29
Processo de construção e texturização da mão. . . . . . . . . . . . . . .
p. 69
30
Inicialmente mostra a armadura, e os passos realizados para a modelagem
do personagem no Blender (Fonte: (BLENDER, 1998b)). . . . . . . . . .
31
p. 70
Modelo tridimensional de um dos personagens equipado renderizado no
Blender.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 70
32
Alicate utilizado pelo operador.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 78
33
Isolador presente no poste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 78
34
Isolador presente no poste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 78
35
Protetor utilizado para protejer o operador do cabo de alta tensão.
. .
p. 79
36
Arame que prende o o ao isolador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 79
Lista de tabelas
1
Relatório de estatística de acidentes do setor elétrico brasileiro 2011.Fonte:
(COGE, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 17
2
Principais áreas de atuação da RV.Fonte: (AZEVEDO, 2003).
. . . . . .
p. 23
3
Passos para a execução dos procedimentos. . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 40
4
Composição das Fontes de Energia no Sistema Elétrico Brasileiro - Capacidade Instalada. Fonte: (GUTIERREZ, 2002).
. . . . . . . . . . . . .
5
Passos para troca de isolador em linha viva isolador 1.
. . . . . . . . .
6
Passos para troca de isolador do meio em linha viva, após a troca do
p. 45
p. 49
primeiro isolador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 50
7
Passos para troca do último isolador em linha viva.
. . . . . . . . . . .
p. 50
8
Passos para troca de isolador em linha desativada. . . . . . . . . . . . .
p. 51
9
Engines para construção de ambientes virtuais 3D. . . . . . . . . . . . .
p. 63
Lista de abreviaturas e siglas
RV Realidade Virtual
PC Computador Pessoal
COGE Comitê de Gestão Empresarial
SGTS Sistema de Gestão do Trabalho Seguro
CME Custo Mínimo Estimado
ATreVEE 3D Ambiente para Treinamento Virtual de Procedimentos do Setor Elétrico
usando Simulação Gráca 3D
3D Três Dimensões
IHC Interface Humano Computador
CyberMed Systems based on virtual reality for medical procedures simulation
USP Universidade de São Paulo
ANEEL Agencia Nacional de Energia Elétrica
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
UML Unied Modeling Language
BVH Biovision Motion File
Sumário
1
2
3
Introdução
p. 15
1.1
Motivação e Relevância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 16
1.2
Objetivos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 19
1.3
Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 20
1.4
Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 20
Fundamentação Teórica
p. 21
2.1
Realidade Virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 21
2.2
Tecnologias da Realidade Virtual aplicadas para a Educação
. . . . . .
p. 22
2.2.1
Técnicas de Interação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 23
2.2.2
Dispositivos de Interação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 26
2.2.3
Aplicação da Realidade Virtual
p. 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Vantagens de Ambientes Virtuais no Processo de Ensino e Aprendizagem
p. 29
2.4
Trabalhos Relacionados ao Setor Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 30
Projeto ATreVEE 3D
3.1
p. 34
Arquitetura Proposta para Simuladores de Procedimentos
. . . . . . .
p. 34
3.1.1
Base do Conhecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 37
3.1.2
Avaliação de Procedimentos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 37
3.1.3
3.1.2.1
Procedimentos
3.1.2.2
Relatório de Desempenho
Cenário de Treinamento
. . . . . . . . . . . . . . . .
p. 38
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 38
3.2
4
Modo de Treinamento
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 38
3.1.3.2
Hierarquia de Operações . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 39
3.1.4
Interface com Usuário
3.1.5
Gerenciador de Objetos estáticos e interativos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 42
. . . . . . . . . .
p. 42
3.1.5.1
Modelo Geométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 43
3.1.5.2
Script
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 44
3.1.5.3
Ações
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 44
Descrição do Cenário de Treinamento para o Sistema ATreVEE 3D
3.2.1
3.3
3.1.3.1
. .
p. 45
Descrição dos Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 47
Levantamento de Requisitos, Caso de Uso e Atividades do Simulador
.
p. 51
3.3.1
Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 51
3.3.2
Visão de Caso de Uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 52
3.3.3
Diagrama de Sequência do Simulador . . . . . . . . . . . . . . .
p. 52
3.4
Modos de Treinamento do ATreVEE 3D
. . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 55
3.5
Processo de Atividade do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 57
3.6
Interação com o Usuário
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 58
3.7
Sistema de Avaliação do Usuário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 59
Processo de Desenvolvimento do Simulador
p. 62
4.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 62
Linguagem Utilizada no Desenvolvimento do Simulador . . . . .
p. 65
Tecnologias e Ferramentas Utilizadas
4.1.1
4.2
4.3
Denição dos Modelos 3D
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 66
4.2.1
Modelos 3D Estáticos e Animados . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 66
4.2.2
Texturização UV
p. 67
4.2.3
Construção e Texturização dos Modelos do ATreVEE 3D
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
p. 67
Módulos de visualização do ATreVEE 3D . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 70
5
Conclusão e Trabalhos Futuros
p. 72
5.1
Considerações Sobre a Pesquisa
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 72
5.2
Resultados da Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 73
5.3
Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p. 74
Referências
p. 75
Anexo A -- Imagens dos objetos interativos do Simulador
p. 78
15
1
Introdução
Apesar de existir há mais de duas décadas, a Realidade Virtual (RV)
tem tido um
crescimento considerável nos últimos anos por diversos fatores, o principal deles era o
preço, pois estes equipamentos por serem sosticados permaneram com preços altos por
muito tempo. Atualmente, com o grande avanço tecnológico e o crescimento da indústria
de computadores, a RV deixou de ser inviável nanceiramente e empresas de produtos
eletrônicos passaram a desenvolver produtos para serem utilizados por ela, fazendo com
que as pesquisas nesta área deixassem de ser exclusividade de instituições de pesquisa
e/ou governamentais (MACHADO, 1995).
Com este desenvolvimento tecnológico, a RV tornou-se mais viável e barata, sendo
possível ser construída e explorada através de um simples computador pessoal (PC) . No
entanto, o uso de um computador pessoal não signica necessariamente uma experiência de
RV. A RV é ocasionada devido a mistura de criações artísticas geradas por software e um
grande número de desaos e novidades tecnológicas a serem implementadas as aplicações.
O uso das tecnologias da RV em aplicações de treinamento e capacitação de prossionais para a realização de procedimentos complexos ou de risco tem se tornado cada
vez mais comum e apresentando resultados muito positivos quando comparado com os
métodos tradicionais de ensino, como apostilas, manuais, vídeos, entre outros.
As vantagens apresentadas pelas soluções em RV promoveram o desenvolvimento de
simuladores e aplicações de treinamento em diversas áreas, como na condução de veículos
terrestres e aeronaves, manutenção e operação de máquinas industriais, realização de
procedimentos médicos, operações militares e tratamentos psicológicos, utilizando-se de
dispositivos computacionais que exploram diversos sentidos humanos, como visão, tato e
audição (KIRNER, 2007).
Os trabalhos em RV podem pertencer a um ou mais grupos voltados para o treinamento de prossionais, entre eles: i) treinamento de habilidades físicas e motoras (MACHADO,
2003); ii) treinamento de tomada de decisão apresentado no trabalho de (SOUZA, 2003);
16
permitindo que o usuário execute sequencias reais de montagem de equipamentos; nesta
mesma categoria, treinamento por tomadas de decisão (PAMPLONA, 2010), (NILS, 2010),
no qual é possível que os técnicos possam interagir com as instruções criadas, de modo a
montar e desmontar os equipamentos (nas instruções de manutenção) e acionar as chaves
e os comando nas interfaces computacionais (no caso das instruções de operação); iii)
treinamento na execução de procedimentos (NILS, 2010), este trabalho consiste de um
usuário sem conhecimento de programação de computadores possa criar procedimentos
técnicos denominados de instruções técnicas virtuais.
Neste último grupo de aplicações, cuja ênfase está no treinamento de procedimentos
utilizando técnicas de RV, a ideia principal desta proposta de dissertação é criar um simulador gráco, causando uma alusão imersiva e interativo reduzindo as diferenças existentes
entre o cenário virtual e a realidade permitindo aos operadores dos sistemas elétricos experimentarem, sem riscos, situações de conito e perigo que ocorrem comumente durante
a operação dos sistemas elétricos de distribuição de energia.
A partir da avaliação de desempenho dos usuários, viabilizada pelo módulo de avaliação da plataforma computacional, os prossionais do setor elétrico poderão aprender
com os próprios erros e garantir, como consequência, a eciência na realização dos procedimentos com reexo direto na minimização de erros na operação do sistema real.
Tal ferramenta pode contribuir na elaboração de aplicações de treinamento de procedimentos de forma ecaz, reduzindo o investimento necessário para a implantação de
tais soluções, ou até mesmo deslocamento de funcionários de uma região para outra,
fomentando o uso das tecnologias de RV no cenário nacional.
1.1 Motivação e Relevância
O treinamento em ambientes virtuais tem ganhado atenção por apresentar diversas
vantagens, e podem ser aplicado para solucionar diferentes estorvos. Em sistemas elétricos
de distribuição de energia existem poucas publicações acadêmicas que relatam a criação
de aplicações que utilizam a RV para determinados segmentos.
Por possuírem operações complexas, com risco de vida e de patrimônio tangível e
intangível, o setor elétrico necessita de prossionais altamente qualicados e com total
conhecimento das ações a serem adotadas para o controle e operação do sistema. Não são
admitidos erros operacionais, pois podem causar perdas de vidas, além de desligamentos
indevidos afetando milhares de pessoas e causando prejuízo à empresa.
17
No último relatório de estatística de acidentes do setor elétrico brasileiro 2011 como
mostra a Tabela 1, realizado pela Fundação COGE (Comitê de Gestão Empresarial) refaz
um levantamento importante sobre acidentes no setor eletríco do país.
Os acidentes fatais e com afastamento, ao longo dos anos, têm como causas principais: queda, origem elétrica e veículos,(COGE, 2011). Tais causas podem ser evitadas,
especialmente as duas primeiras, que dependem exclusivamente do cumprimento de procedimentos técnicos de trabalho (planejamento da segurança no trabalho, observação das
frentes de trabalho, procedimentos de trabalho escritos - o passo a passo, treinamento da
força de trabalho, além do compromisso gerencial, etc.), elementos constantes do SGTS
- Sistema de Gestão do Trabalho Seguro.
Tabela 1: Relatório de estatística de acidentes do setor elétrico brasileiro 2011.Fonte:
(COGE, 2011).
No ano de 2010, com 81 empresas e o contingente de 104.857 empregados próprios,
desempenhando diariamente suas atividades, com riscos de natureza geral e riscos especícos, foram registrados 741 acidentados relacionados ao setor elétrico típicos com
afastamento, acarretando, entre custos diretos (remuneração do empregado durante seu
afastamento) e indiretos (custo de reparo e reposição de material, custo de assistência ao
acidentado e custos complementares - interrupção de fornecimento de energia elétrica, por
exemplo), prejuízos de monta para o Setor de Energia Elétrica, da ordem de centenas de
milhões de reais (COGE, 2011).
Em 2010 foram perdidas 558.824 horas em decorrência dos acidentes com lesão, que
se comparadas com as 383.360 horas perdidas em 2009, mostram uma aumento de 46%,
observando-se que o aumento de horas trabalhadas (3%), não acompanhou esse cresci-
18
mento. Considerando ainda os acidentes sem perda de tempo e os acidentes com e sem
danos materiais, o custo dos acidentes no Setor Elétrico Brasileiro seria da ordem de: R$
55.594.164,80 (COGE, 2011).
Calculando o custo mínimo estimado (CME) com os acidentados de 2010, considerandose as 558.824 horas de trabalho perdidas, obtemos o seguinte:
1
Custo Mínimo Estimado - CME = 5 (dias perdidos
x salário médio/dia no setor)
2
CME 2010 = 5 x (69.853 x R$ 109,10) = R$ 38.104.811,50
Todo este custo com empregados gerado por acidentes das próprias empresas, representaria um investimento em diversas subáreas do setor como construção de pequenas
centrais hidrelétricas, novas redes de distribuição, linhas de transmissão e novas tecnologias para o setor elétrico nacional.
Tendo em vista que esses acontecimentos estão ligados diretamente aos operadores, é
motivador pesquisar novas formas e alternativas para alteração dos dados apresentados
anteriormente.
Então podemos armar que o bom treinamento de prossionais deste setor, e a necessidade constante de mantê-los atualizados com normas e utilizações de novos procedimentos e equipamentos, podem proporcionar uma eciência e qualidade na realização dos
procedimentos.
Logo uma plataforma computacional para execução de procedimentos baseada em
simulação gráca interativa, venha a se tornar uma poderosa ferramenta para garantir a
efetividade na manutenção de equipamentos e atualização de novos procedimentos.
Essa plataforma terá por característica, apresentará disponibilidade para formação
contínua dos prossionais, ou seja, o operador a qualquer momento poderá recorrer ao
simulador é rever seus conceitos e novas instruções impostas pela empresa, proporcionando
assim a uma diminuição de erros operacionais e gastos relacionados.
Outro incentivo considerável é a ausência de pesquisas realizadas relacionadas ao
treinamento de prossionais em um setor que tanto necessita. Foi observado que poucos
trabalhos têm sido publicados detalhando a construção de simuladores virtuais para procedimentos no setor elétrico.
1 dias perdidos = horas de trabalho perdidas (558.824) dividido pela carga horária diária de trabalho
(8h/dia).
2 hipótese conservadora uma vez que foi utilizado o multiplicador 5. A literatura técnica disponível
indica que o custo indireto de um acidente pode variar de 5 a 50 vezes o seu custo direto.
19
1.2 Objetivos
O objetivo geral deste trabalho é discutir a utilização de simuladores virtuais no
setor elétrico, também é meta desenvolver uma plataforma para o auxílio ao ensino e
treinamento de procedimentos no setor elétrico, intitulado ATreVEE 3D ATreVEE 3D
(Ambiente para treinamento Virtual de Procedimentos do Setor Elétrico usando Simulação Gráca 3D), explorando as potencialidades no ensino com RV e propiciando o valor
lúdico-didático que lhes está subjacente na representação de um ambiente de simulação
gráca em três dimensões -(3D) .
Este ambiente deve permitir ao operador (usuário) a realização e/ou visualização de
procedimentos similares aos realizados em ambientes reais no dia-a-dia com ou sem supervisão, armazenando as ações do operador para uma posterior avaliação de seu desempenho
durante o processo.
Dentro destas perspectivas, foram objetivos especícos:
•
Desenvolver uma plataforma ou protótipo para o auxílio ao ensino e treinamento de
procedimentos no setor elétrico (ATreVEE 3D) multiplataforma;
•
Propor uma arquitetura de um simulador de procedimentos para esse m;
•
Mostrar que é possível desenvolver um simulador de procedimentos utilizando a
arquitetura proposta pelo trabalho;
•
Desenvolver um sistema de avaliação acoplado ao simulador virtual, como apoio ao
treinamento ATreVEE 3D;
•
Mostrar que é possível desenvolver um simulador de procedimentos com baixo custo,
o que tornaria a utilização dessa tecnologia ainda mais interessante e alternativa a
empresas do setor;
•
Interagir com especialistas na realização das operações executadas pelos operadores,
a m de modelar um sistema adequado para a simulação de interação operador ambiente, observando a modelagem, visualização e representação das propriedades dos
objetos e equipamentos de trabalho, dando ao operador uma experiência antecipada
à realidade, permitindo que o aprendiz desenvolva o trabalho no seu próprio ritmo,
desta forma estimula a participação ativa do operador.
20
1.3 Metodologia
Para alcançar os objetivos especícos desse trabalho, algumas atividades foram realizadas durante o tempo de estudo como:
•
Pesquisar arquiteturas e técnicas utilizadas para criar ambientes virtuais de treinamento de procedimentos;
•
Realizar uma análise e seleção das melhores técnicas e arquiteturas estudadas;
•
Elaborar uma arquitetura exível, para facilitar e reduzir o custo do desenvolvimento
de novos cenários de treinamento;
•
Interagir com prossionais da área do setor elétrico para levantamento de requisitos
do simulador ou do cenário de treinamento;
1.4 Organização do trabalho
Além dessa breve introdução, esta dissertação é composta da seguinte forma:
•
Capítulo 2 - Referencial Teórico: são apresentadas as ferramentas, tecnologias da
RV aplicadas para a educação, ferramentas para construção de ambientes virtuais
e as vantagens desses ambientes no ensino e aprendizagem, e trabalhos utilizando a
RV para o setor elétrico;
•
Capítulo 3 - É apresentado o projeto do ambiente para treinamento virtual de procedimentos do setor elétrico usando simulação gráca 3D: É descrito o cenário de
treinamento, a descrição dos procedimentos realizados pelo operador, a visão geral
da arquitetura proposta, os modos de treinamento do ATreVEE 3D, o levantamento
de requisitos realizados para composição do protótipo, o caso de uso, o processo de
atividades do simulador, o diagrama de sequência do simulador, a interação com o
usuário e o processo do sistema de avaliação do usuário.
•
Capítulo 4 - Processo de Desenvolvimento do Simulador: são apresentadas tecnologias e ferramentas utilizadas e técnicas aplicadas durante o processo; e
•
Capítulo 5 - Conclusões e Trabalhos Futuros: são levantadas as considerações sobre
a pesquisa e projeções para melhoria do trabalho e de outros na mesma área, assim
como os resultados encontrados e trabalhos futuros.
21
2
Fundamentação Teórica
Nesta seção faz-se referências as teorias, soluções, aplicações e casos de sucessos do
emprego da RV aplicadas ao processo de ensino-aprendizagem utilizando-se de conceitos
de interface humano computador (IHC) . Inicialmente remete-se ao tema teorias de aprendizagem, referenciando alguns pesquisadores da RV. No segundo momento, apresenta-se
o estudo da arte dos mundos virtuais de aprendizagem, as primeiras aplicações e modelos,
casos de sucessos e referência de alguns aplicações voltadas ao setor elétrico.
2.1 Realidade Virtual
O termo RV foi cunhado no nal da década de 1980 por Jaron Lanier (BIOCCA;
LEVY, 1995), artista e cientista da computação que conseguiu convergir dois conceitos
antagônicos em um novo e vibrante conceito, capaz de captar a essência dessa tecnologia:
a busca pela fusão do real com o virtual como ilustra a Figura 1.
Figura 1: Ambiente virtual 3D .Fonte: (UNITY, 2010).
Na última década aplicações médicas baseadas em Realidade Virtual (RV) vêm sendo
cada vez mais utilizadas (BURDEA; COIFFET, 2003) e a tecnologia de RV tem passado do
22
caráter experimental para o desenvolvimento de sistemas distintos. Hoje a RV encontra-se
aplicável em diversas áreas como jogos, educação, treinamento militar, engenharia, indústria petroquímica, arquitetura, medicina e outras. Com o crescente avanço tecnológico
associado a equipamentos e aplicações, a RV encontra um campo favorável para tornar-se
cada vez mais acessível aos usuários nais, buscando rmar-se como uma importante área
acadêmica, cientíca e tecnológica (BURDEA; COIFFET, 2003).
A RV é, antes de tudo, uma interface avançada do usuário para acessar aplicações
executadas no computador, tendo como características a visualização e movimentação
em ambientes tridimensionais em tempo real e interação com elementos desse ambiente.
Além da visualização em si a experiência do usuário de RV pode ser enriquecida pela
estimulação dos demais sentidos como tato e audição (KIRNER, 2007).
Reforçando o conceito, (BOWMAN, 2004) diz que a interação do usuário com o ambiente virtual é um dos aspectos importantes da interface e está relacionada com a capacidade do computador detectar e reagir às ações do usuário, promovendo alterações na
aplicação. O usuário que está interagindo com um ambiente virtual tridimensional realista
proposto, em tempo real, observando as cenas serem modicadas como resposta aos seus
comandos, torna a interação mais rica, natural e atraente à utilização, gerando mais engajamento à operação o ajudando em operações complesxas e como resultado a eciência
no procedimento.
2.2 Tecnologias da Realidade Virtual aplicadas para a
Educação
A RV tem se consolidado como uma nova e ecaz maneira de auxiliar o ensino em
diversos campos (YOUNGBLUT, 1998) (BLAS; POGGI, 2007). Uma série de aplicações de
ambientes virtuais que podem ser desenvolvidos com RV, hoje está presente em diversas
áreas, algumas das quais são apresentadas na Tabela 2 (AZEVEDO, 2003).
O uso de um processo sistemático no desenvolvimento dos ambientes e aplicações
de realidade virtual teve impactos positivos em termos de produtividade na execução
das etapas e fases e em termos de qualidade do produto nal obtido (KIRNER, 2007). O
processo de descoberta, exploração e observação são de fundamental importância para a
construção do conhecimento, a possibilidade de simular procedimentos de uma determinada área para diferentes situações de maneira realística propicia um grande avanço ao
processo educacional convencional.
23
Área
Aplicação
Arte
Efeitos especiais, modelagem criativas, esculturas e pinturas.
Medicina
Exames, diagnósticos, estudo, planejamento de procedimentos.
Arquitetura
Perspectivas, projetos de interiores e paisagismo.
Engenharia
Em todas as suas áreas (mecânica, civil, aeronáutica etc.).
Meteorologia
Previsão do tempo, reconhecimento de poluição.
Astronomia
Tratamento de imagens, projetos de criação.
Segurança Pública
Denição de estratégias, treinamento, reconhecimento.
Indústria
Treinamento, controle de qualidade, projetos.
Turismo
Visitas virtuais, mapas, divulgação e reservas.
Moda
Padronização, estamparias, criação, modelagem, gradeamentos.
Lazer
Jogos, efeitos em lmes, desenhos animados, propaganda.
Processamento de Dados
Interface, projetos de sistemas, mineração de dados.
Psicologia
Terapias de fobia e dor, reabilitação.
Educação
Aprendizagem, desenvolvimento motor, reabilitação.
Tabela 2: Principais áreas de atuação da RV.Fonte: (AZEVEDO, 2003).
2.2.1
Técnicas de Interação
A interação entre pessoas existe desde o surgimento das primeiras civilizações humanas
utilizando-se diversas formas para a troca de conhecimento, numa evolução contínua que
teve início com os primeiros desenhos rupestres nas cavernas, passando pelos sinais de
fumaça, os sons dos tambores, as pinturas nas telas, a imprensa escrita e falada, o telefone, a televisão e, nalmente, o computador e toda parafernália tecnológica existente
atualmente (TEICHRIEB; KELNER, 2006).
As técnicas de interação segundo (BOWMAN, 2004) incluem tanto componentes de
hardware (dispositivos de entrada/saída) quanto de software. As técnicas de interação
utilizadas nos componentes de software são responsáveis por mapear a informação de um
dispositivo de entrada em alguma ação dentro do sistema, e por mapear a saída do sistema
de forma que esta possa ser interpretada pelos dispositivos de saída.
Nas aplicações de RV, técnicas especiais de interação que lidam com o espaço 3D são
exigidas, trazendo ao software mais qualidade e servido como forma de atração ao usuário.
A interação pode ocorrer tanto no sentido usuário-aplicação, quanto no sentido aplicaçãousuário. Os cenários virtuais utilizados em RV podem dar retorno ao usuário através de
dispositivos chamados hápticos. Neste caso, o usuário sente a reação do mundo virtual
e pode reagir de forma diferente dependendo dos estímulos providos pela simulação.
A interação 3D é crucial em sistemas nas quais está aplicada a realidade virtual, para
24
tal são empregas técnicas de acordo com a tarefa a ser realizada pelo usuário. Técnicas
como seleção e manipulação, navegação, controle do sistema e entrada simbólica, foram
denidas por (BOWMAN, 2004), e são utilizadas por pesquisadores da área até os dias de
hoje.
Manipulação 3D: É necessário que a interação seja realista, o que signica que o
usuário, possa realizar movimentos humanísticos, como pular, correr, empurrar objetos
virtuais como no mundo real, como ilustrado na Figura 2.
Figura 2: Imagem Jogo de Age of Empires III. Fonte: (MICROSOFT, 2005).
Para (BASTOS; TEICHRIEB; KELNER, 2007) as técnicas de interação para manipulação
3D são apontamento, manipulação direta, mundo em miniatura, agregação e integração e
manipulação 3D para os dispositivos.
Navegação: (TEICHRIEB; KELNER, 2006) arma que movimentação física tem uma
inuência positiva nos níveis de presença relatados por usuários quando há interação em
ambientes virtuais, nos quais os usuários, ao navegarem pelo ambiente virtual, podem
realizar ações como viajar (explorar) pela cena ou procurar um caminho especíco, como
localização de controles do sistema evitando caso de risco e saídas de emergência, utilizados
atualmente para o treinamento de operários que trabalham em setores de risco como
plataformas de petróleo ilustrado na Figura 3.
25
Figura 3: Simulador utilizado para navegação em plataformas de petróleo. Grupo de
Simulação e Controle em Automação - GSCAR da UFRJ.Fonte: (GSCAR, 2010).
Na concepção de (BASTOS; TEICHRIEB; KELNER, 2007) a navegação se decompõe em
locomoção física, direcionamento, planejamento de rotas, baseadas em alvo, manipulação
manual, travelby-scaling, orientação do viewpoint, especicação da velocidade e controles
integrados da câmera para ambientes desktop 3D.
Entrada Simbólica: Técnicas de entrada simbólica para interfaces 3D são acionadas
de acordo com entradas especicas como por exemplo um dispositivo capaz de capturar
alguns movimentos característicos como o Kinect ou mesmos teclas especicas como o
teclado, como mostra a Figura 4. Também estão presentes em plataformas móveis que
usam entrada baseada em caneta, na qual o usuário escreve caracteres, símbolos ou outros
gestos com uma caneta no dispositivo e é entendido como uma ação.
Controle de Sistema: A interação para controle do sistema serve basicamente para
modicar o estado atual, normalmente, estas ações são realizadas através de comandos
disponíveis na interface. As técnicas de interação para controle do sistema são menus
grácos, painéis para execução de alguma ação, comandos de voz, captura de gestos e
volantes ou alavancas, como mostra a Figura 5.
Algumas dessas técnicas já foram usadas em interfaces 3D, utilizando algum tipo de
dispositivo para interação.
26
Figura 4: Teclado e o Kinect para Xbox 360. Fonte: (MICROSOFT, 2005).
Figura 5: Simulador Legacy 650 produzido pela Embraer.Fonte: (EMBRAER, 2010).
2.2.2
Dispositivos de Interação
A interação diz respeito à capacidade do computador detectar as entradas do usuário
e modicar instantaneamente o mundo virtual e as ações sobre ele. Os dispositivos de
interação têm como objetivo oferecer maneiras mais intuitivas de intercâmbio ou prover
um maior nível de imersão ao usuário no cenário. Estes dispositivos separam-se em duas
categorias que apresentam sua nalidade e suas funcionalidades, sendo caracterizadas
como dispositivos de entrada e dispositivos de saída.
Os dispositivos de entrada de dados para sistemas de RV são utilizados para enviar
informações sobre ações do usuário para o sistema. Basicamente, eles podem ser de dois
tipos: de interação ou de rastreamento. Em ambos os casos, as ações do usuário são
27
identicadas em um espaço tridimensional (CARDOSO; MACHADO, 2008).
Os dispositivos de saída de dados no contexto da RV convêm a equipamentos que apresentam as interações aos usuários após suas interações, entre eles podemos citar monitor,
salas de realidade virtual, óculos de realidade virtual, dispositivos de retorno de força e
outros.
2.2.3
Aplicação da Realidade Virtual
A realidade virtual é mais do que uma realidade no dia a dia da comunidade cientíca e, cada vez mais, uma importante aliada para o desenvolvimento tecnológico. Suas
aplicações vão desde os conhecidos simuladores de vôo de uso prossional até mesmo
às plataformas de entretenimento. As aplicações são arquitetadas com diversos objetivos
como mostra a Tabela 2, tais como: ensino, entretenimento, treinamento, dentre outros.
Em (CARDOSO; LAMOUNIER, 2008), são apresentadas vantagens e justicativas para
a utilização da RV aplicada na educação em sua pesquisa ele realiza um pequeno levantamento de aplicações em diversas áreas que exploram as potencialidades da RV.
Medicina
A Medicina e áreas de saúde relacionadas têm, substancialmente, se beneciado dos
avanços tecnológicos apresentados pela Realidade Virtual, nos últimos anos. Um dos principais problemas para a educação em Medicina, em geral, é como providenciar um senso
realístico da inter-relação entre estruturas anatômicas no espaço 3D (CARDOSO; LAMOUNIER, 2008), tentando aprimorar cada vez mais a forma de realismo nos movimentos
e reações causadas. Um detalhe importante da RV é que o aprendiz pode repetidamente
explorar as estruturas de interesse, separando-as ou agrupando-as com as mais diferentes
formas de visualização, imersão e exploração trazendo um conforto ao aluno.
O CyberMed
(CYBERMED, 2009) é um sistema baseado em RV para simulação de
procedimentos médicos, ele podem fornecer treinamento realista de tarefas especícas,
novas técnicas ou novos métodos. O desao de sistemas de RV para a medicina é oferecer
ambientes de computador com características semelhantes ao mundo real. Em seguida, os
sistemas devem apresentar objetos realistas (forma, cor, propriedades físicas), explorar os
sentidos do usuário e fornecer resposta em tempo real às interações do usuário.
Indústria
Dentre as diversas áreas podem-se destacar a área de petróleo e gás. As pessoas que
28
trabalham na indústria petrolífera, geólogos, geofísicos e engenheiros de reservatórios, trabalham com modelos em 3D dos reservatórios em estudo. Esses modelos, normalmente
grandes e complexos, são construídos utilizando informações de muitas fontes diferentes:
dados sísmicos, que revelam as características estruturais, como falhas ou horizontes em
uma escala de dezenas de milhares de metros e registros do poço, que produzem informações locais em torno do poço sobre a porosidade, permeabilidade e outras propriedades
da rocha.
Por meio da utilização de poderosas estações de trabalho grácas em conjunto com
técnicas de RV, um geólogo pode manipular, interrogar e investigar mais facilmente o
modelo de um grande reservatório contendo todos esses tipos diferentes de dados, também
acelera o ritmo de descobertas, melhora a comunicação, reduz o risco de erros e torna o
processo de tomada de decisões mais eciente.
Educação
O avanço tecnológico e a redução dos custos dos equipamentos para desenvolvimentos
de jogos têm dado condições de evolução para criação de simuladores virtuais, com isso
são capazes de reproduzirem atividades reais no ambiente virtual. Hoje na educação já
se encontra profundamente explorada, como era de se esperar, auxiliando estudantes nos
estudos e avaliações das mais diversas áreas da ciência como a Matemática, Biologia,
Física e Química e outras disciplinas complementares.
Na disciplina de física tem, igualmente, usufruído dos inúmeros benefícios advindos da
Realidade Virtual, oferecendo a possibilidade de utilização de um simulador como recurso
pedagógico, apresentando o recurso de simulação educativa de um conteúdo da disciplina
de física no contexto de um mundo virtual. Isto porque um dos problemas tradicionalmente
apresentado na literatura é o fato de os livros serem em 2D, o que diculta ao aluno a
sensação tridimensional de imersão e profundidade. Tais itens são largamente explorados
por sistemas atuais que utilizam técnicas de RV no ensino de diversos assuntos.
Assim, por trabalhar diretamente com o espaço 3D e presenciando as reações causadas
pelas ações realizadas, problemas e relações espaciais complexas podem ser compreendidos
de forma mais rápida e com mais qualidade do que métodos tradicionais.
29
2.3 Vantagens de Ambientes Virtuais no Processo de
Ensino e Aprendizagem
A evolução constante da tecnologia está impulsionando a educação para novos rumos,
enfatizando a utilização de novas ferramentas, propiciando uma evolução no processo de
ensino/aprendizagem. De acordo com (MORAN, 2003), a construção do conhecimento, a
partir do processamento multimídico é mais livre, menos rígida, com conexões mais
abertas que passam pelo sensorial, pelo emocional e pela organização do racional; uma
organização provisória, que se modica com a facilidade, que cria convergências e divergências instantâneas, que precisa de processamento múltiplo instantâneo e de resposta
imediata.
Apesar da realidade virtual também usar múltiplas mídias, ela enfatiza a interação do
usuário com o ambiente tridimensional e a geração de imagens em tempo real (TORI, 2007).
Estes ambientes têm como proposta ampliar o sentido de educar e reinventar a função
da forma de aprendizagem abrindo-lhes novos projetos e oportunidades que forneçam
condições de ir além da formação para o consumo e a produção.
Segundo (MACHADO, 2003) a principal vantagem do uso de sistemas baseados em RV
sobre métodos tradicionais de ensino, treinamento e assistência relaciona-se à exploração
dos sentidos aliada à imersão do usuário ao tema apresentado. Graças aos efeitos tridimensionais, o espectador tem acesso a um novo tipo de experiência mais duradoura e
impactante mesmo após a sessão de uso da RV.
A explicação é simples: temos tendência, em geral, a memorizar com mais facilidade
aspectos que presenciamos (experiência sensorial) do que aspectos que apenas assistimos
(experiência audiovisual), assim nos permite visualização de detalhes de objetos, permite
ao aprendiz refazer experimentos de forma atemporal, fora do âmbito de uma aula clássica.
Tendo em vista as tecnologias apresentadas e formas de interações e software capazes
de construir ambientes tridimensionais pode-se dizer que qualquer órgão ou instituição
que proporcione ensino de alguma atividade exercida por ela, hoje não se vê sem um
vínculo com a cultura da informática em diversas atividades, ou seja, essas tecnologias já
se encontram no meio ao qual podem ser exploradas, tendo como desao o de se inventar
e descobrir o uso criativo desta de forma educacional.
30
2.4 Trabalhos Relacionados ao Setor Elétrico
Em (GARANT, 1995) é apresentado o sistema Esope-VR que visa a formação dos operadores que trabalham em comutação de energia elétrica ou estações de distribuição, permitindo ao utilizador exercer operações que consistem tipicamente de alterar a topologia
das redes de distribuição, abrindo e fechando as linhas de transmissão, isolando equipamentos, a m de realizar a manutenção ou trabalhos de reparação, proporcionando uma
compensação apropriada ou redistribuir a carga.
Figura 6: Sistema Esope-VR. Fonte: (GARANT, 1995).
No trabalho de (MARCOS et al., 2007) é apresentado um modelo de treinamento para
manutenção de uma Unidade Hidrelétrica de Energia (UHE) utilizando um sistema de
realidade virtual desktop, com uma abordagem de aprendizagem baseada totalmente na
prática. A ferramenta de treinamento apresenta três modos, automático, guiado e exploratório que são acessados conforme o usuário vai adquirindo conhecimento durante o
treinamento, entre eles são realizados os procedimentos de manutenção, mostrando a potencialidade do uso de RV no treinamento em grandes projetos industriais, como ilustra
a Figura 7.
Através do Sistema de Autoria para Construção de Instruções Técnicas Virtuais (PAMPLONA; CAIO, 2011) permite que técnicos de uma Usina Hidrelétrica de Energia construam
instruções técnicas de operação e manutenção em um ambiente virtual dando aos técnicos
a possibilidade de interagir com as instruções criadas de modo a montar e desmontar os
equipamentos, simulando instruções de manutenção e operação, como mostra a Figura 8.
A AES Eletropaulo, em parceria com a Universidade de São Paulo (USP)
e Ma-
31
Figura 7: Visão interna da UHE. Fonte: (MARCOS et al., 2007).
Figura 8: Fechamento da válvula. Fonte: (PAMPLONA; CAIO, 2011).
trix (empresa de consultoria em engenharia), criou um simulador exclusivo para capacitar
seus eletricistas. A ferramenta utiliza o ambiente virtual para testar os eletricistas sobre os
procedimentos de segurança adotados pela empresa. Todos os que fazem o curso de capacitação de eletricistas para linhas energizadas passam primeiro pelo simulador (BELLOC,
2011), AES EletroPaulo 2012, apresentada na Figura 9.
A Furnas Centrais Elétricas também desenvolveu uma aplicação para o treinamento
nanciado pela Agencia Nacional de Energia Elétricas (ANEEL) , o objetivo central é
enriquecer o material utilizado na capacitação das equipes de manutenção, através da
Realidade Virtual (BELLOC, 2011), como mostra a Figura 10.
O uso de aplicações de treinamento na área de manutenção de operações relacionadas a
eletricidade é importante, pois os aparelhos e peças manipuladas durantes estas atividades
são grandes ou exigem certas complexidades. Além disto, o custo de aquisição e instalação
destes equipamentos é muito elevado, o que torna inviável aquisição de máquinas apenas
para realização de treinamento.
32
Figura 9: Menu principal da aplicação. Fonte: (BELLOC, 2011).
Figura 10: Desmontagem da unidade geradora. Fonte: (BELLOC, 2011).
O aspecto mais importante, porém, é o fato de que operações em linha viva envolvam
risco de acidentes e de vida do operador. Assim, partindo-se do princípio de que a preservação da vida humana é fundamental, o investimento no desenvolvimento de ferramentas
como estas é plenamente justicado.
Tendo como alicerce aplicações de sucesso, a ferramenta aqui proposta objetiva tornar
a abordagem construtiva mais efetiva ao usuário, disponibilizando um ambiente virtual
realista com equipamentos e normas de operações executadas em sistemas elétricos de
distribuição.
Como diferencial o projeto terá como base a criação de uma arquitetura geral para
construção do protótipo, com o objetivo de ajudar o desenvolvimento de simuladores
33
do setor elétrico. Na arquitetura será apresentada detalhes do funcionamento de cada
elemento, como avaliação do usuário, interface com o usuário, como realizar a análise de
requisitos para alcançar as alvos desejados pela empresa.
Outro fator importante é mostrar que a utilização de ferramentas alternativas para
composição de ambientes virtuais para realização de procedimentos, pode ser uma alternativa viável as empresas do setor elétrico de distribuição, almejando a redução de
erros operacionais e como uma forma auxíliar ao treinamento de seus funcionários, não
apresentando altos custos ao seu orçamento.
34
3
Projeto ATreVEE 3D
O objetivo deste capítulo é apresentar o Ambiente para Treinamento Virtual de Procedimentos do Setor Elétrico usando Simulação Gráca 3D intitulado ATreVEE 3D. Nesse
capítulo é apresentado um modelo de arquitetura para auxílio na construção de simuladores de procedimentos. E apresentado detalhes sobre o funcionamento para construção
do protótipo, a arquitetura proposta para construção de simuladores de procedimentos,
análise dos requisitos, visão geral do projeto para o desenvolvimento do sistema, bem
como é detalhado o projeto do sistema, com a delimitação e visão da arquitetural.
3.1 Arquitetura Proposta para Simuladores de Procedimentos
Para facilitar o processo de constituição de simuladores voltados para o treinamento
é apresentado aqui um modelo da arquitetura utilizada para o processo de desenvolvimento de simuladores para o setor elétrico. O modelo proposto tem como base o modelo
apresentado por (BELLOC, 2011). O modelo propõe detalhar e incrementando novos módulos, assim como algumas características diferentes. O modelo proposto no trabalho é
apresentado a seguir de forma detalhada.
Esses componentes principais apresentam relacionamentos entre eles de forma direta
ou indiretamente, iniciando uma ação ou o retorno da ação realizado em algum dos módulos.
O componente cenário de treinamento estabelece a interface com a aplicação. Através
desta interface, a aplicação pode controlar todo o processo de treinamento do operador,
avaliando-o de acordo com sua evolução, interagindo com todos os objetos interativos do
cenário e todos os procedimentos disponíveis para a ação corrente.
Dado o cenário de treinamento devidamente compostos é pronto para utilização, o seu
funcionamento acontece através de ações acionadas pelo usuário. Para que este relaciona-
35
mento aconteça o operador deverá estar em um dos modos de treinamento da aplicação.
O relacionamento entre os módulos é apresentado na Figura 11 por setas continuas e
pontilhadas. As setas continuas representam que o módulo está ativando o funcionamento
de outro módulo. As setas pontilhadas representam o retornos especícos como geração
de relatório, movimentação de objetos e outros.
O processo é iniciado no módulo de interface com usuário. Este módulo tem como
função realizar as operações de entrada e saída, detalhados na seção 2.2.2, a cada interação
do usuário com o cenário de treinamento é gerando uma série de relacionamentos entre
os módulos principais.
O operador utilizando-se da Interface com Usuário aciona um determinado procedimento no Cenário de Treinamento. O cenário de treinamento aciona o Gerenciador
de Objetos Ativos e Estáticos retornando ao cenário movimentações (ações possível
dos objetos do cenário) que deverão ser apresentas por algum dispositivo de saída para
o usuário do simulador. A cada procedimento realizado no Cenário de Treinamento
também é acionado o módulo de Avaliação de Procedimento, esse módulo tem objetivo avaliar se a ação realizada através da interface com usuário, é ou não válida para
sequência de ações que constitui um procedimento.
Figura 11: Modelo proposto para desenvolvimento de simuladores de procedimentos.
36
37
O modelo proposto no trabalho é detalhado nas seções seguintes apresendando características que os simuladores de procedimentos devem apresentar, tendo como objetivo
de auxiliar o desenvolvimento de simuladores em diferentes áreas.
3.1.1
Base do Conhecimento
Como os simuladores de procedimentos tem como um dos objetivos principais auxiliar
a o treinamento dos funcionários. A Base de Conhecimento tem como papel representar
o repositório de informações e referências que os operadores tenham com antecedência
antes de iniciar a utilização do simulador, como o conhecimento de ferramentas e roupas
utilizadas nas operações de trabalho e outros.
Entre os benefícios da base de conhecimento podemos citar a maior organização e
desempenho do operador, fazendo com que o desenvolvimento da ferramenta foque em
documentação relativa aos processos.
3.1.2
Avaliação de Procedimentos
No módulo de Avaliação de Procedimentos é apresentada na arquitetura pode ser
denida como a identicação das ações que os colaboradores (operadores) realizam durante
determinado procedimentos.
A Avaliação de Procedimentos avalia se as sequencias de ações para realizar determinado procedimento estão em uma ordem correta, validando ou não o procedimento
realizado. Tendo como função retornar um relatório de desempenho sobre estas ações
executadas no cenário de treinamento.
Assim, Avaliação de Procedimentos é a análise crítica que deve ser feita na defasagem
existente no comportamento do operador entre a expectativa de desempenho denida pela
organização (empresa de distribuição) e o seu desempenho real.
3.1.2.1
Procedimentos
O submódulo Procedimento é constituído por uma sequência de ações. Estas ações
estão relacionadas ao procedimento que será realizado. Todo procedimento deverá ter
apenas uma sequência que deverá ser seguida para sua execução.
38
3.1.2.2
Relatório de Desempenho
O submódulo Relatório de Desempenho é apresentado ao usuário ao termino de um
procedimento. Nele é apresentado a sequência de ações realizadas pelo operador, onde é
indicado quais ações foram executadas na sequência correta e sua porcentagem.
3.1.3
Cenário de Treinamento
O cenário de treinamento é o elemento principal do modelo proposto, através deste, o
operador pode consultar e manipular os objetos ativos e estáticos presentes neste ambiente,
e escolher os procedimentos que serão praticados por ele.
O cenário de treinamento logo após ser acionado pelo módulo de interface com usuário,
ativar outros módulos como gerenciador de objetos ativos e estáticos e o módulo de
avaliação de procedimento, tendo um retorno especíco de cada um deles, como explicado
na seção 3.1.
No cenário de treinamento são utilizadas técnicas diferentes para descrever as regras de
operação dos objetos ou inserir novos modelos para denir os procedimentos. No cenário
é possível o operador acessar informações sobre as operações a serem realizadas por ele.
O cenário de treinamento contém um conjunto amplo de rotinas. Para facilitar a
compreensão, estas rotinas sequenciadas são divididas em três grupos, as que são para
proteção do operador, proteção do ambiente de operação e as usadas para conduzir o
processo de treinamento.
A ordem de execução das etapas mencionadas, é importante, pois cada uma delas
depende de informações carregadas em passos anteriores. Por exemplo, para o operador
trocar o isolador em um poste trifásico em linha viva, primeiramente ele deverá colocar os
protetores nos os em uma sequência correta de acordo com as informações mencionadas
nas regras de operações, se caracterizando como Hierarquia de Operações.
3.1.3.1
Modo de Treinamento
O submódulo Modo de Treinamento tem como função apresentar as formar possíveis
de treinamento que o operador possa ter acesso em um simulador. Entre os modos de
treinamento estão: Demonstrativo, Manual, Sequencial.
No modo demonstrativo o operador visualiza a sequência de ações a serem realizadas
39
para execução de um determinado procedimento. Neste modo o operador terá a possibilidade de memorizar as operações antes de ir ao modo manual.
Outra possibilidade desse modo é que o operador pode rever a ação, para que tenha
uma melhor absolvição dos movimentos que serão executados por ele. Este modo pode
facilitar a aprendizagem dos operadores, pois cada operador pode apresentar um ritmo
de aprendizado diferente.
O modo manual o operador terá controle total, visualizando e executando as ações por
meio da interface com usuário, nesse módulo o usuário tem a possibilidade de escolher
procedimentos especícos para o seu treinamentos. Essas ações realizadas deveram ser
avaliadas pelo módulo de Avaliação de Procedimento. No módulo manual o operador
deverá ser avaliado de acordo com as regras impostas pela empresa ou por algum órgão
regulador.
No modo manual o operador poderá realizar as operações novamente caso não tenha
realizado o objetivo especíco. Neste módulo o usuário também pode recorrer a regras
que poderão ajuda-lo na execução da tarefa.
O módulo sequencial o operador também tem total controle sobre a simulação, executando e visualizando as ações por meio da interface com usuário. Nesse modelo o operador
não tem a possibilidade de escolher operações especícas para treinamento, como rever
regras, sequência de ações a serem executadas, aumenta a ilusão de uma ambiente real
imposta ao operador. O operador inicia a operação a partir da escolha das ferramentas,
realiza operação de isolamento de ambiente e outros.
3.1.3.2
Hierarquia de Operações
A hierarquia de operações também pode ser chamada de estrutura de programa, representa a organização de componentes (módulos) do simulador e implica uma hierarquia de
controle. Para o simulador, a hierarquia de operações representa os aspectos procedurais
do simulador, tais como as sequências dos processos, a ordem das decisões ou repetições
de operações que o operador possa a vir a escolher no cenário.
As sequências impostas pelo operador para a execução do procedimento em especíco
não serão devidamente aceitas pelo modelo de avaliação, como detalhado na seção 3.1.
Embora cada cenário disponha de várias ações, apenas uma pode ser executado de cada
vez pelo operador.
Na Tabela 3, são apresentado exemplos de passos para conduzir um determinado
40
Passos
Funções
Descrição
1
iniciarProcedimento(..)
Iniciar procedimento escolhido pelo operador
no cenário de treinamento.
2 (Opção 1)
escolherAcao(..)
Modo de Avaliação: Identica o objeto que o
operador deseja manipular, e qual ação
será executada no cenário em especíco.
3 (Opção 2)
executarAcoes(..);
Modo Demonstrativo: O operador visualiza
reverAcoes(..)
as ações executadas automaticamente, com
a possibilidade de repetir quantas vezes
forem necessárias para sua compreensão.
4
executarAcao(..)
Executar a ação determinada pelo operador
ou acontecerá à execução automática pela
aplicação.
5 (Opcional)
repetirOperacao(..);
Repetir o procedimento em especíco
reverAcoes(..)
para melhor absorção do conteúdo. Disponível
para os dois modos de operação.
6 (Opcional)
concluirOperação(..)
Concluir procedimentos, o operador terá liberdade
de concluir o procedimento quando ele achar que deve
encerrar nalizou a operação corrente.
7
cancelarAcao(..);
Cancelar operação. O operador
repetirOperacao(..)
terá a liberdade de cancelar/refazer o
procedimento em execução, quando ele achar
que se precipitou em alguma ação e retornar
ao menu de ações.
Tabela 3: Passos para a execução dos procedimentos.
41
procedimento para a ação corrente no cenário. As funções podem variar de acordo com o
modo de funcionamento da aplicação. O módulo de avaliação, é relacionado com os objetos
que o operador deve interatuar na operação, estes objetos serão identicados através de
suas geometrias no cenário de treinamento virtual.
O módulo de avaliação é relacionado com quais objetos o operador deve interatuar
no cenário, estes serão identicados através de suas geometrias no cenário de treinamento
virtual. Assim, caso a aplicação utilize um mouse convencional, o operador poderá fazer
uso do cursor para apontar para geometrias (objetos) que o mesmo deseje manipular.
As funções apresentadas na Tabela 3, são essenciais para o funcionamento cronológico
das operações exercidas no ambiente virtual. Inicialmente a função iniciarProcedimento(..)
inicia o procedimento que o operador deseja realizar o treinamento ou visualizar, antes
desta função ser executada o operador deve escolher qual modo de treinamento.
A função escolherAcao(..), está presente no modo de treinamento, é utilizada para
determinar qual o procedimento o operador quer exercer para operação em execução.
Esta faz uma busca em uma lista do procedimento solicitado, esta lista armazena todas
as diferentes ações objetos ativos presentes na cena de operação.
Como segunda opção de treinamento, são utilizadas no simulador duas funções importantes para o funcionamento do modo demonstrativo, são elas executarAcoes(..) e
reverAcoes(..). A função executarAcoes(..) executa a lista de ações determinadas para
ação corrente, neste mesmo momento o operador tem a possibilidade de volta o procedimento em caso de dúvida acionando a função reverAcoes(..), repetindo o procedimento
desejado.
A função repetirOperacao(..) tem o funcionamento semelhante a função reverAcoes(..),
tendo como diferencial a atuação do operador, no momento em que a função e acionada
também é reiniciado o modo de avaliação do operador, ou seja, sua atuação no ambiente
de operação será novamente avaliada.
Conforme mencionando na Tabela 3, para a conclusão da tarefa em execução no modo
de treinamento é acionada a função concluirOperação(..). Esta função pode ser acionada
a qualquer momento durante o procedimento em execução, exigindo automaticamente o
conhecimento total dos procedimentos a serem seguidos perante a operação de treinamento. Durante a operação o operador tem a possibilidade de cancelar o treinamento,
acionando a função cancelarAcao(..), dessa forma não será avaliada pelo módulo de avaliação.
42
A Tabela 3 pode ser exível e apresentar diversas outras funções com diferentes características. A adição de novas funcionalidades irá depender da necessidade do simulador
a ser desenvolvido. Outro fato que pode ser citado é que a presença e ausência de algumas funções podem estar relacionado ao modo de treinamento exercido pelo usuário na
aplicação.
3.1.4
Interface com Usuário
A interface com usuário tem como objetivo tornar a interação do operador o mais
simples e eciente possível, pois os operadores não tem muito contato com dispositivos
digitais no aprendizado. Assim, um bom projeto de interface com o operador facilita a
conclusão da tarefa naturalmente sem chamar atenção desnecessária para si, equilibrando
a funcionalidade técnica e elementos visuais.
A interface com usuário é adaptada de acordo com os dispositivos de entrada e saída
que serão utilizados para o funcionamento da aplicação. A interface com usuário tem como
objetivo principal a entrada e saída de dados, e acionadas e visualizadas por dispositivos
de interação.
3.1.5
Gerenciador de Objetos estáticos e interativos
O módulo, Gerenciador de Objetos Interativos e Estáticos da na Figura 11, contém os
objetos geométricos e scripts que regulam as regras de funcionamento dos objetos interativos. Os scripts acionam as diferentes movimentações (ações), esses estão relacionados
diretamente aos objetos presentes em cada cenário.
Em (BELLOC, 2011), é proposto que todo objeto interativo do cenário esteja relacionado a um determinado script de funcionamento (Um script contém as regras de operação do objeto e a denição das suas ações). No modelo aqui apresentado é permitindo que
todos os objetos presentes no cenário, tenham comportamentos diferentes no ambiente e
possam utilizar um ou mais scripts diferentes para a realização de uma ação vinculada a
um objeto.
Em uma aplicação de treinamento de procedimentos, um objeto interativo pode ser
qualquer elemento da cena que o usuário precise manipular para cumprir com os objetivos
do treinamento (BELLOC, 2011).
Toda a interação realizada com um determinado objeto no cenário de treinamento
43
será apresentado através de uma ação. Para cada objeto existe lista de movimentos que
esse objeto pode realizar, assim, o operador manuseia o objeto através destes movimentos
vinculados sequencialmente.
Cada objeto contém uma lista de ações denidas de acordo com a ação corrente,
onde cada uma destas ações pode estar ou não disponível. Esta denição pode ou não
ser imposta por um simulador de procedimentos é importante pois evita que o operador
tenha a sua disposição uma ação inconsistente com o estado que se encontra a operação.
Por exemplo, o operador não poderá manusear o cabo de alta-tensão sem primeiramente
ter retirado a o que o prende ao isolador.
Com relação a objetos ativos semelhantes, em um mesmo cenário de treinamento esses
podem apresentar as mesmas regras de funcionamento ou não. Um exemplo pode ser dado
como os protetores utilizados em redes de alta tensão, que tem a mesma regra, mas com
movimentações diferentes no mesmo ambiente. Nestes casos, o papel da utilização dos
script é ainda mais importante, através dele é possível fazer a diferenciação do mesmo
objetos vinculando-as a sua interação no cenário.
Os objetos estáticos podem ser denidos como os objetos que compõe a cena, formando
assim um ambiente virtual realísticos (casas, ruas, árvores, postes, carros e outros). Apesar
de estáticos podem apresentar funcionalidade importante no ambiente de treinamento
como a delimitação de área.
3.1.5.1
Modelo Geométrico
O modelo geométrico contém todas as informações visuais do ambiente virtual como
malhas poligonais, matérias, luzes, texturas, etc. (BELLOC, 2011).
Esses objetos que compõem os cenários tridimensionais assim como ferramentas utilizadas nas operações realizadas pelo operador podem ser realizadas por alguma ferramenta de edição como exemplo podemos citar o Blender ou 3D Max Studio.
Os modelos geométricos devem fornecer uma interoperabilidade entre plataformas, e
exigir pouco do poder de processamento do dispositivo utilizado para execução da simulação. No módulo de geometria relaciona um conjunto de recursos como modelagem 3D,
texturização, iluminação, animação, pós-processamento de vídeo e desenvolvimento de
jogos 3D, integrando todas essas funcionalidades em um único pacote.
Independente da ferramenta utilizada para a construção do cenário de treinamento, o
importante é o bom funcionamento do modelo proposto, sendo capaz de representar com
44
exatidão as operações de treinamento, aplicando as animações e instâncias de maneira
correta e de fácil compreensão.
As informações do cenário de treinamento são carregadas de determinados arquivos
(objetos modelados) e organizadas na memória do computador para serem enviadas à
placa gráca no processo de renderização da cena. A organização da cena é feita de forma
hierárquica (o objeto mais próximo ao observador será visualizado). De acordo com que
há a manipulação dos objetos o ambiente virtual vai se modicando de acordo com os
movimentos relacionados a cada objeto em cena.
3.1.5.2
Script
O submódulo script tem como função principal manipular ou acionar animações nos
objetos no cenário de treinamento, esses scripts podem estar relacionados a mais de objeto.
A classicação das formas de animação dos objetos varia de acordo com os aspectos
relacionados aos objetos, os métodos de controle do movimentos ou interface com usuário
podem ser usados na classicação da técnica de animação utilizada.
Uma das mais poderosas ferramentas de animação é, sem dúvida, a animação por
script. Um script é uma sequência de instruções, em uma linguagem interpretável pelo
sistema, para controle dos objetos e suas respectivas propriedades de animação, textura
e comportamento (AZEVEDO, 2003).
3.1.5.3
Ações
As ações é o mecanismo que faz todo o simulador funcionar, pelo qual estas são
carregadas, disparadas e descarregadas para visualização do operador através da interface
com usuário. Estas ações são organizadas em listas, criadas para todos os objetos ativos
que participarão da cena de treinamento.
Estas listas de ações são acionadas pelos scripts que se vinculam aos objetos, o script
tem o papel de tornar estas ações em rotinas, dando como retorno virtual a reação de
movimentação/execução da ação em especico.
Quando o operador acionar uma rotina referente ao objeto desejado ao procedimento,
esse reagirá através de uma sequência de animações. No entanto outras modicações no
aspecto e/ou formato do objeto podem ser alteradas, como variações de textura, cor,
posição etc.
45
As ações executadas no cenário de treinamento podem modicar outros objetos presentes, modicando aspectos citados anteriormente.
3.2 Descrição do Cenário de Treinamento para o Sistema ATreVEE 3D
Atualmente o sistema elétrico brasileiro é um sistema hidrotérmico está fortemente
relacionado à sua parcela hidrelétrica, devido, principalmente, ao elevado percentual gerado por esta fonte de energia, com predominância de usinas hidroelétricas e longas linhas
de transmissão, como mostra a Tabela 4.
Tabela 4: Composição das Fontes de Energia no Sistema Elétrico Brasileiro - Capacidade
Instalada. Fonte: (GUTIERREZ, 2002).
Esta energia distribuída é efetivamente entregue aos consumidores conectados à rede
elétrica de uma determinada empresa de distribuição. Essa rede pode ser aérea, supor-
46
tada por postes, ou por dutos subterrâneos com cabos ou os, em um complexo sistema
de transmissão. Do total da energia distribuída, o setor privado é responsável por 67%
(BRASIL, 2012).
Figura
12:
Alguns
tipos
de
isoladores
usado
em
linhas
de
transmissão.
Fonte:
(ELETROESTERS, 2010).
Depois de percorrer o longo caminho entre as usinas e os centros consumidores nas
redes de transmissão, a energia elétrica chega em subestações que abaixam a sua tensão,
para que possa ser iniciado o processo de distribuição. Durante esse percurso existem
outros elementos importantes das redes de transmissão como os isolantes de vidro ou
porcelana, que sustentam os cabos e para-raios que escoam descargas elétricas durante o
trajeto, alguns isoladores são apresentados na Figura 12.
Hoje, as falhas em isolamentos têm consequências indesejáveis, desde interferências em
sinais de rádio ou televisão, até curtos-circuitos que podem retirar a linha ou subestação
de operação. Neste último caso, a interrupção temporária de suprimento acarreta prejuízos
às unidades consumidoras e à concessionária de energia. Processos industriais contínuos,
de maneira geral, não devem ter suprimento de energia interrompido de forma não programada. Para a concessionária, falhas em isolamentos podem resultar em danos materiais
próprios e de terceiros, custos de manutenção, perda de faturamento e, em muitos casos,
multas impostas por parte das agências reguladoras (VILELA, 2002).
A atividade de substituição de isoladores em linha ativa e desativada exige a execução
de procedimentos demorados e de alto risco tangível e intangível. O procedimento em
linha de distribuição em postes trifásicos com tensão de 13,8 kV consiste em realizar a
troca dos três isoladores de um poste, sem interromper o fornecimento de energia elétrica
aos consumidores da região.
47
Figura 13: Poste com Isolador (Fonte: (BELLOC, 2011)).
A Figura 13 ilustra um poste comum utilizado para sustentar todas as fases da rede
primária, encontrado facilmente no sistema de distribuição urbano e também presente
em sistemas de distribuição rural. Em uma rede de distribuição convencional, estas fases
não são revestidas por nenhum material isolante e são xados diretamente em isoladores
cerâmicos presos em cruzetas de madeira ou concreto.
3.2.1
Descrição dos Procedimentos
A manutenção do poste trifásico pode ser dividida em duas etapas: 1) vestimenta e escolha dos equipamentos de trabalho; 2) realização da troca do isolado para as três cruzetas.
Os procedimentos contidos no ambiente virtual executados pelo operador contém informações sobre as atividades que serão praticadas. As principais informações contidas em
determinado procedimento real são interpretadas como relações de dependência existentes
entre as ações realizadas no cenário, com o objetivo de tornar a experiência realística.
As relações de dependência determinam quais ações o operador deve executar em cada
momento para cumprir os objetivos do treinamento, não sendo possível retroceder à ação
executada, pois em operações do setor elétrico esse processo pode ser considerado como
um erro técnico, ocasionando sérios riscos operacionais.
Nas Tabelas 5, 6, 7 e 8 são apresentadas as listas dos procedimentos que o operador
precisa executar no procedimento de troca de isolador em um poste trifásico com três
48
isoladores, e em linha ativa e desativada. Neste procedimento o bom funcionamento do
sistema de distribuição é levando em primeiro lugar, com isso o operador deve mudar os
três isoladores do poste evitando acontecimentos posteriores no mesmo (falha em equipamentos não substituídos).
Na Tabela 5 é apresentado os procedimentos realizados para troca do primeiro isolador
de um poste trifásico. Esta é a primeira operação executada pelo operador em linha viva.
A operação um é constituída de quinze procedimentos executados sequencialmente.
A Tabela 6 mostra os procedimentos realizados para troca do segundo isolador de um
poste trifásico. Esta é a segunda operação executada pelo operador em uma rede linha
viva. A operação um é constituída de treze procedimentos executados sequencialmente.
Na Tabela 7 apresenta os procedimentos realizados para troca do terceiro e último
isolador de um poste trifásico. Esta é a terceira operação executada pelo operador em
uma rede linha viva. A operação um é constituída de dezoito procedimentos executados
sequencialmente pelo operador, é o procedimento com mais operações.
Para execução da troca dos três isoladores em linha viva, são realizados um total de
quarenta e seis procedimentos, uma grande quantidade de ações exercidas pelo operador
em um ambiente de risco continuo. Essa grande quantidade de ações podem gerar duvidas em suas execuções, seja na ordem em que elas são realizadas é também como serão
realizadas no ambiente real.
Na Tabela 8 são apresentados os procedimentos realizados para troca de isoladores
de um poste trifásico. As operações listadas na tabela são executadas pelo operador em
linha desativada. A operação em linha desativada é comum para todos os isoladores do
poste, constituindo de trinta procedimentos executados sequencialmente pelo operador,
é uma operação de risco menor em relação aos procedimentos executados em linha viva,
porém é executado um grande número de procedimentos.
As atividades a serem executadas fazem referência aos objetos interativos presentes no
cenário e estabelecem relacionamento direto com as ações reais exercidas pelo operador.
Os procedimentos detalhados nas tabelas são realizados em sistemas de distribuição
aérea convencional. Alguma das atividades realizadas para troca de isoladores em linha
viva envolve a manipulação de protetores e matérias de isolação fundamentais para isolarem condutores e outras equipamentos do ambiente, para que não haja o contato direto
com o operador, garantindo a segurança em todo o procedimento como mostra a Figura
14.
49
Figura 14: Troca de isolador em linha viva.
Numeração
Procedimentos
1
Colocar o protetor 1 cabo de alta tensão do lado direito do isolador.
2
Colocar o protetor 2 cabo de alta tensão do lado esquerdo do isolador.
3
Colocar o protetor 3 cabo de alta tensão do meio do lado direito do isolador.
4
Colocar o protetor 4 cabo de alta tensão do meio do lado esquerdo do isolador.
5
Colocar protetor cilíndrico entre os isoladores.
6
Retirar o que prende o cabo de alta tensão ao isolador lado direito.
7
Retirar o que prende o cabo de alta tensão ao isolador lado esquerdo.
8
Mover cabo de alta tensão para cima do protetor cilíndrico.
9
Retirar o antigo do isolador.
10
Retirar isolador antigo.
11
Colocar novo isolador.
12
Colocar novo o que xa o isolador ao cabo de alta tensão.
13
Colocar cabo de alta tensão em cima do isolador.
14
Apertar o o lado direito.
15
Apertar o o lado esquerdo.
16
Encerrar procedimento.
Tabela 5: Passos para troca de isolador em linha viva isolador 1.
50
Numeração
Procedimentos
1
2
3
4
5
6
Colocar isolador novo.
7
8
9
10
11
Retirar protetor cilíndrico.
12
Retirar protetor lateral esquerdo do cabo de alta tensão.
13
Retirar protetor lateral direito do cabo de alta tensão.
14
Tabela 6: Passos para troca de isolador do meio em linha viva, após a troca do primeiro
isolador.
Numeração
Procedimentos
1
Colocar o protetor 1 cabo de alta tensão do lado esquerdo do isolador.
2
Colocar o protetor 2 cabo de alta tensão do lado direito do isolador.
3
Colocar protetor cilíndrico entre os isoladores do poste trifásico.
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Retirar protetor cilíndrico entre os isoladores.
15
Retirar protetor direito do meio do cabo de alta tensão.
16
Retirar protetor esquerdo do meio do cabo de alta tensão.
17
Retirar protetor lateral direito do cabo de alta tensão.
18
Retirar protetor lateral esquerdo do cabo de alta tensão.
19
Tabela 7: Passos para troca do último isolador em linha viva.
51
Numeração
Procedimentos
1
Retirar o lado direito do isolador.
2
Retirar o lado esquerdo do isolador.
3
4
Remover o antigo do isolador.
5
Remover isolador antigo.
6
7
Colocar novo o no isolador.
8
9
Apertar o o lado direito do isolador.
10
Apertar o o lado esquerdo do isolador.
11
Tabela 8: Passos para troca de isolador em linha desativada.
3.3 Levantamento de Requisitos, Caso de Uso e Atividades do Simulador
Uma vez concluída a denição do sistema, foram elaborados documentos para a descrição do projeto do mesmo. Esses documentos orientaram o desenvolvimento do sistema
de acordo com as visões de casos de uso, requisitos, visão geral do simulador e atividades
do simulador.
3.3.1
Requisitos
Os requisitos de software são atributos que desejamos implementar em um sistema.
Eles reetem as necessidades dos usuários, esses devem descrever o entendimento dos
objetivos do operador e traduzir esses objetivos em funcionalidades para o simulador.
Com relação aos requisitos do sistema, destacam-se os visuais. Sobre os requisitos
visuais, o sistema precisa ser foto realista, fornecendo uma visualização adequada das
estruturas no ambiente de treinamento, de forma que o operador possa perceber na simulação características importantes presentes no exame real.
Assim os requisitos visuais na simulação devem buscar prover situações que simulem
sensações realísticas. Essas sensações são importantes e devem ser percebidas pelo operador através da visualização. Uma vez que a sensação é notadamente mais difícil de ser
simulada do que outros sentidos.
Outro fator que pode ser descrito como um dos requisitos do sistema é a sua utilização
em plataformas computacionais populares como desktop, tablete e smartphones. Esse
52
requisito visa tornar o sistema o mais abrangente possível, para que possa ser aplicado nas
mais diversas situações e para o maior número de pessoas do seu público-alvo (estudantes
da área de saúde, notadamente medicina e enfermagem) (DINIZ, 2010).
O levantamento de requisitos para o desenvolvimento do ATreVEE 3D contou com
a participarão de especialistas da área, para entender o funcionamento e os detalhes de
cada procedimento exercidos por um operador no mundo real. Isso foi possível através
de reuniões com os especialistas do setor elétrico, identicando e realizando denição do
ambiente e dos passos a serem realizados nas operações, descritos e detalhados a partir
na seção 3.2.1.
Para apresentar um cenário com os aspectos e processos reais foram seguidas as normas
exigidas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) , como quais as vestimenta
e equipamentos usadas na realização da operação ou procedimento.
3.3.2
Visão de Caso de Uso
O manuseio do simulador tem como objetivo ser simples visando operabilidade e a
capacidade de oferecer todos os aparatos de ajuda e funcionamento aos operadores. Do
ponto de vista do operador é possível o acesso a funcionalidades do sistema, como: a
escolha de operação, a realização das etapas visual e controle manual das operações, a
movimentação do personagem repetir ação, cancelar operação, a indicação de conduta
adequada e a obtenção de relatório de avaliação do operador e outros. Na Figura 16 podese observar as funcionalidades do ATreVEE 3D relacionadas em um diagrama de casos de
uso.
É importante observar que certas funcionalidades do simulador, como a aquisição de
relatório de avaliação do operador, estão ligadas à emissão de impressões por parte do
operador, ou seja, a ação parte do operador. Para tanto, é requisitado ao operador qual
sua escolha dentro de um menu em especíco, que represente sua opção desejada.
3.3.3
Diagrama de Sequência do Simulador
O Diagrama de sequência (ou Diagrama de Sequência de Mensagens) é um diagrama
usado em Unied Modeling Language (UML) , representa a sequência de processos realizados no simulador ((mais especicamente, são troca de mensagens entre objetos) num
programa de computador (PRESSMAN, 1995).
53
Figura 15: Diagrama de uso do simulador.
Alguns projetos podem apresentar uma grande quantidade de métodos em classes
diferentes, com isso, pode ser difícil determinar a sequência global do comportamento
entre eles. O diagrama de sequência tem como objetivo representa essa informação de
uma forma simples e lógica.
A Figura 16 que expõe o diagrama de sequência do ATreVEE 3D, nela é detalhada
claramente as operações possíveis pelo operador. As setas continuas representam uma
ação executada do operador. O retorno das ações do operador são apresentadas pelas
setas pontilhadas.
No simulador ATreVEE 3D primeiramente o operador inicia o simulador, então é
exibido a ele os modos de simulação possíveis do simulador, são eles: demonstrativo,
manual e sequencial.
Logo após o modo treinamento ser escolhido é apresentado ao operador dois submodelos para execução do treinamento no ATreVEE 3D: ativo, onde a linha de transmissão está
ativa, ou seja, passa corrente elétrica; e desativada, onde a linha de transmissão não está
ativa. Escolhido é apresentado o cenário ao operador é iniciado o processo de execução
das operações, ou seja, a simulação está em execução. Como retorno é exibido o ambiente
virtual de treinamento.
54
Figura 16: Diagrama de sequência do simulador.
No ambiente virtual o operador coletadas as informações visuais sobre o cenário de
procedimento, é pode acionar os comandos de execução através do mouse ou teclado.
Ao acionar esses comandos são geradas uma movimentações no cenário, essas representaram a ação escolhida pelo operador, assim é atualizada a visualização do operador,
neste momento é visualizada a operação no ambiente (execução da ação é visualizada).
Dado que o operador esteja a simulação em execução, o simulador dispõem do recurso
de dicas, em caso de uma possível dúvida que o operador venha a apresentar durante o
procedimento. Ele também pode contar com o recurso que reinicia a operação que está
treinando ao achar que realizou alguma operação fora de sua sequência retornando assim
para o início da atividade.
Com a simulação em execução o operador tem como opção nalizar a operação quando
achar que realizou todas as ações para o treinamento escolhido, retornando a ele o de-
55
sempenho referente a operação nalizada. Caso o operador não deseje mais realizar o
treinamento ele poderá sair do no cenário de treinamento retornando ao menu principal
da aplicação.
3.4 Modos de Treinamento do ATreVEE 3D
O modo de treinamento do protótipo ATreVEE 3D tem como fundamento a arquitetura proposta no trabalho. O simulador de treinamento foi elaborado com uma interface
gráca simples e de fácil compreensão, permitindo que os operadores mesmo não familiarizados com aplicações complexas possam manuseá-lo facilmente. Na Figura 17 é apresentado a tela inicial do ATreVEE 3D, nessa tela o operador tem acesso as informações que
podem ser executadas em cada procedimento existente no simulador, também é presente
a possibilidade de iniciar o simulador e sair do simulador. Ao iniciar, o operador entrar
com alguns dados básicos como nome e idade conforme apresentado na Figura 18, após o
operador terá que escolher o modo de funcionamento do simulador de procedimentos. Os
modos disponíveis são: Modo Demonstrativo, Modo Manual e o Modo Sequêncial.
Figura 17: Tela de abertura do simulador ATreVEE 3D.
Logo ao escolher o modo demonstrativo ou manual disponíveis no simulador, é apresentada ao operador outra tela onde ele deve escolher se a operação a ser realizadas será
em linha viva ou linha desativada como ilustra a Figura 19.
No modo demonstrativo, o operador observa os procedimentos passivamente podendo
rever e pausar a operação caso tenha alguma dúvida como citado na Seção 3.7. Neste modo,
56
Figura 18: Solicitação de dados do Operador.
Figura 19: Modos de operação presentes no simulador.
a intervenção do operador é facultativa, o mesmo pode apenas visualizar a execução do
procedimento escolhido.
No modo manual, o operador vai adquirindo conhecimento durante as etapas da simulação, como quais equipamentos utilizar, a roupa para operação, controle da cesta aérea,
troca de isoladores, normas e questões de segurança. Estas telas são acessadas conforme
sua avaliação no treinamento realizado ao m de cada etapa.
O modo sequencial apresenta os passos desde a chegado do operador ao estabelecimento de trabalho e a escolha das ferramentas e vestimentas referentes a operação que
irá realizar. Neste modo o operador é apresentado a um grande número de ferramentas
e algumas dessas não podem ser utilizadas para o a operação escolhida. Caso o operador
escolha ferramentas que não utilizará na operação é acionado um som de alerta e uma
mensagem alertando-o que a ferramenta não é a correta pra operação, na Figura 20 é
mostrada a sala de ferramentas.
57
Figura 20: Sala de Ferramentas presente do Modo Sequencial.
O operador precisa executar todo o procedimento, escolhendo manualmente as ações
disponíveis em cada objeto. Neste modo todas as ações executadas pelo usuário serão
colocadas em um relatório, permitindo que seu desempenho seja avaliado em seguida.
3.5 Processo de Atividade do Simulador
Na Figura 21, pode-se analisar a visão arquitetural do ARTreVEE 3D. Nela pode
observado a divisão do sistema em módulos e o detalhe de suas relações e os uxos de
informações. A gura apresenta elementos importantes para a execução das atividades
no ambiente de simulação, como gerente de operações, módulo de interação, módulo de
visualização e módulo de avaliação.
Figura 21: Visão arquitetural do ARTreVEE 3D.
58
O módulo gerente de operações tem como função administrar quais as operações que
serão executadas pelo operador no ambiente de treinamento. Também é responsável por
gerir os dispositivos de interação utilizados durante a execução dos procedimentos.
O módulo de interação é desmembrado em dois submódulos: o submódulo de interação
teclado e o submódulo de interação via mouse. O primeiro é acionado quando existe entradas de dados feita pelo operador, como movimentação do personagem, entrada dos dados pessoais do operador, pode ser utilizado no ambiente 2D e 3D do simulador ATreVEE
3D. Esse módulo é acionado sempre que há a interação com o teclado, como movimentação do personagem e na fase de vestimenta e escolha dos equipamentos necessário para
o operador antes da operação.
O submódulo via mouse é responsável pela criação de menus do sistema e pelo gerenciamento do comportamento do mouse do sistema nos ambientes bidimensionais ou tridimensionais.
O módulo de interação está incluso ao módulo de visualização, que tem por função
realizar a interação com o usuário na entrada e saída de dados.
O módulo de avaliação explana o sistema de avaliação utilizado no ATreVEE 3D. Esse
módulo é responsável por supervisionar os movimentos do operador (ações realizadas no
módulo de visualização) e outros parâmetros associados a eles para a elaboração de um
relatório de desempenho que é exibido ao operador após o m de cada interação.
O módulo de avaliação tem a função de registrar informações relevantes acerca das
operações durante suas várias etapas, também observa as interações do operador apresentado com mais detalhes na Seção 3.6. A avaliação da interação do operador é realizada de
acordo com o procedimento apresentado pelo simulador.
3.6 Interação com o Usuário
Uma vez que o ATreVEE 3D abrange a utilização de dispositivos convencionais, a
interação no sistema precisou ser pensada de forma que o operador obtivesse suas metas
de interação com o simulador de forma simples e agradável. O protótipo apresentado
no trabalho faz a junção de duas das técnicas apresentas na seção 2.2.1: manipulação e
entrada de símbolos.
No ATreVEE 3D são realizadas interações tais como: reiniciar o modo atual, mudar de
modo, retornar ao menu inicial, avançar etapas do simulador ou sair da execução de um
59
procedimento, movimentação do personagem no ambiente e outras, são possíveis através
do teclado ou de botões que são considerados como entrada de dados.
Ao operador passar o cursor do mouse sobre o botão, a sua cor é alterada, indicando
que existem ações disponíveis. Durante o treinamento, o operador deve proceder conforme
mostra a Figura 22, para cada procedimento desejado o operador clica com o cursor do
mouse no botão que ilustra a ação ou objeto a ser manuseada e a ação é realizada de
acordo com o andamento da operação.
Figura 22: Ativando ação com o cursor.
No decorrer das ações podem ocorrer erros de sequencias, esses serão informados ao
operador e ao avaliador apenas no relatório, após dar a operação como concluída. Nesta
versão o operador pode realizar novas tentativas, pois não há limite de erros em nenhum
modo de funcionamento da ferramenta. No entanto, o módulo de avaliação registras todos
os erros cometidos pelo operador no relatório.
3.7 Sistema de Avaliação do Usuário
A avaliação de procedimentos pode ser denida como a identicação e mensuração das
ações que os operadores realizaram em cenário de operação durante determinado período.
A avaliação de desempenho tem como objetivo diagnosticar e analisar o desempenho
individual dos operadores, promovendo o crescimento prossional, bem como um melhor
desempenho no aprendizado do conteúdo imposto.
60
Nesta seção é apresentado o processo de atividades do simulador tendo como objetivo
principal auxiliar no desenvolvimento de aplicações de treinamento em realidade virtual,
focando principalmente na prática de procedimentos e avaliação dessas executadas pelo
operador.
Assim, o treinamento de procedimentos não impõe requisitos elevados na elaboração
de mecanismos sosticados de interação, o que reduz o investimento necessário para o
desenvolvimento e na implementação destas soluções (BELLOC, 2011).
Em (SHARABI, 2007), diz que a possibilidade de monitorar as ações que o usuário faz
no sistema torna-se fundamental, pelo fato das ações do usuário corresponderem ao que
ele compreende no mundo virtual. Isto permite o uso de informações de interação para
ns diversos que variam desde a quanticação da compreensão, à usabilidade e à avaliação
do usuário na realização de um procedimento.
A Figura 23 ilustra o processo seguido durante a execução dos procedimentos no
simulador, tendo como objetivo a avaliação das ações executados pelo operador no cenário
de treinamento. Na etapa inicial o operador deverá escolher o Modo de Treinamento que se
divide em demonstrativo e manual, detalhada na Seção 3.4. No módulo Ação do Operador
é escolhido o cenário de operação, o jogador extrai os requisitos do cenário de operação,
em seguida, executa a ação desejada, explanado na Seção 3.1.3.
Figura 23: Processo de atividade do Simulador.
A medida que estas ações são executadas no simulador, caso o operador apresentar
alguma dúvida sobre a ação a executar, poderá recorrer ao menu de Norma e Questões
de Segurança que lhe apresentará dicas sobre a ação a ser realizada ou ao recurso de
61
Visualização da Ação que reproduz como poderá ser executada a operação.
No módulo Validação da Sequência de Ações, os dados referente as ações realizadas
pelo operador durante o procedimento são absorvidos e submetidos a avaliação automática,
caso aprovado, o operador irá para o próximo procedimento (essa exigência é depende a
empresa), onde ocorrerá o ciclo de operações apresentado anteriormente, nalizando o
processo o módulo de Avaliação das Etapas onde são avaliados todas as etapas do ciclo
de um procedimento especíco.
Por m é apresentada ao operador sua nota nal em um relatório contendo seu nome
e a porcentagem para cada operação executada, sendo aprovado caso tenha um aproveitamento de 100%, aplicando o conceito educacional de forma rigorosa, pois no setor elétrico
os operadores devem evitar erros de operação.
62
4
Processo de Desenvolvimento do
Simulador
O objetivo deste capítulo 4 é mostrar como foi composto o ambiente ATreVEE 3D,
demostrando quais as tecnologias e ferramentas utilizadas.
4.1 Tecnologias e Ferramentas Utilizadas
Quando se pretende construir um ambiente tridimensional com determinadas características para ser inserido num produto educativo ou comercial, há necessidade de recorrer
a um conjunto de ferramentas especícas na área 3D. Atualmente, pode-se encontrar no
mercado diversos softwares de desenho nas versões livres e comerciais que permitem desenvolver desde pequenas estruturas tridimensionais a complexos jogos em ambiente 3D.
Na esperança de avançar com um protótipo elaborado numa tecnologia tridimensional
para este projeto, há a necessidade de estudar algumas ferramentas de trabalho nesta área
para realizar a construção de ambientes virtuais.
Em (GUIMARAES, 2007) e (BENTO, 2011) é realizado um estudo detalhado das ferramentas hoje disponíveis para criação de ambientes e/ou personagens 3D, avaliando-as
e comparando várias características, tendo alguns critérios como custo do software, se
este pertence à classe de software proprietário (com o respectivo valor de aquisição) ou
software livre.
Foi então realizado uma nova pesquisa que proporcionou a adição de novas ferramentas, o resultado apresenta as seguintes engines, mostrados na Tabela 9.
X
Tabela 9: Engines para construção de ambientes virtuais 3D.
X
X
Vue Innite
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Livre
Software
X
X
X
X
X
Software
Proprietário
Unity 3D
X
X
X
X
X
X
X
Linguagens de
Programação Conhecida
Unreal Engine
The Dead Engine
SketchUP Pro 8
RAGE Engine
Panda 3D
Maya 2011
IW Engine
Havok Engine
Geo-Mod Engine
EGO Engine
CryENGINE
X
X
C2 Engine
Cinema 4d
X
X
Aplicações
Multiplataforma
Tempo de
Renderização Baixo
Blender
Avalanche Engine
Anvil Engine
3ds Max 2011
Engines
63
64
A escolha das engines (motor de jogo) da Tabela 9, utilizadas para realizar uma
aplicação educativa que simule alguma operação é importante, apesar de algumas dessas
ferramentas sejam para tal m, há especicidades que podem adequar-se com maior ou
menor eciência ao projeto que estamos desenvolvendo.
A Unity 3D Figura 24 e o Blender Figura 25 pelas características desejadas para o protótipo foram as ferramentas que mais se enquadram no nosso objetivo, permitindo criar,
com facilidade, conteúdos interativos em três dimensões, que podem ser jogos, conteúdos
educativos ou simulações em áreas de ciência.
Figura 24: Interface do editor de cena da Unity 3D. Fonte: (UNITY, 2010).
Figura 25: Interface do editor Blender. Fonte: (BLENDER, 1998b).
65
A Unity 3D é um software que simplica o processo de criação de jogos 3D ou outras aplicações através de uma ferramenta de edição, fácil de usar, que permite inserir
elementos pré-fabricados, que facilitará na concepção de ambientes realísticos ao cenário
de treinamento. O software se enquadra para iniciantes e usuários avançados na programação de jogos, esta ferramenta torna-se bastante acessível permitindo desenvolver com
facilidade aplicações que podem funcionar em vários ambientes, on-line ou o-line, Mac,
PC, iPhone e IPAD, tv e consoles de jogos como mostra a Figura 26.
Com o Blender é realizada a modelagem dos objetos e ferramentas utilizadas nas
operações realizadas pelo operador, que fornece uma arquitetura aberta, interoperabilidade entre plataformas, extensibilidade, exigindo muito pouco do poder de processamento, assim, gerando um uxo de trabalho totalmente integrado e rápido, contando com
um amplo conjunto de recursos de modelagem 3D, texturização, iluminação, animação e
pós-processamento de vídeo e desenvolvimento de jogos 3D, integrando todas essas funcionalidades em um único pacote.
Figura 26: Funcionamento geral das ferramenta Unity 3D.
4.1.1
Linguagem Utilizada no Desenvolvimento do Simulador
A escolha de uma linguagem de programação padronizada que permita novas experiências e bom suporte é essencial na criação de uma plataforma computacional.
A Unity 3D, engine utilizada no trabalho, tem como opções de linguagem o JavaScript,
Boo e C#, dando maior suporte a linguem C#, apresentando recursos avançados e outras
utilidades resultado da grande comunidade que a utiliza com a engine.
66
A linguagem C# é também mais próxima a CIL (Common Intermediate Language),
sendo CIL é uma linguagem de programação de baixo nível do ambiente de programação da
Microsoft. Isto signica que escrevendo o código em C# pode vir a melhorar o desempenho
da aplicação, a linguagem também pode ser escrita em editores externos a Unity 3D como
Microsoft Visual Studio.
A linguagem de programação C# foi escolhida também por ser uma linguagem segura,
padronizada, amplamente utilizada em outras áreas, e por possuir material e grupos de
discussão disponíveis e ativos. Além disso, esta linguagem ainda é projetada para atender
projetos de grande porte.
4.2 Denição dos Modelos 3D
4.2.1
Modelos 3D Estáticos e Animados
A modelagem de objetos 3D é uma técnica utilizada para criar representações abstratas (virtuais) para uso em sistemas computacionais. Ela pode ser entendida como a
representação computacional dos objetos de um ambiente e determina a arquitetura geral
e detalhada de objetos virtuais que representam objetos reais. A modelagem de objetos
virtuais normalmente é baseada em polígonos, nas quais um objeto é formado pela união
e combinação de vários desses polígonos (BURDEA; COIFFET, 2003).
Para a renderização de objetos mais próximos ao observador, uma representação tridimensional com a geometria completa é selecionada, geralmente empregando-se a abordagem de modelos de fronteira. Tal modelo consiste na representação de formas a partir
da aproximação de seus limites utilizando uma coleção de faces conectadas de forma
conveniente (JUNIOR, 2013).
A edição dos objetos tridimensionais foi uma tarefa importante no desenvolvimento
do ATreVEE 3D, visto que estes precisavam representar adequadamente as estruturas e
ferramentas (objetos interativos) envolvidas no procedimento de troca de isolador.
Neste trabalho, o modelo tridimensional é baseado no formato OBJ (é um formato de
arquivo de denição de geometria desenvolvido primeiramente por Wavefront Technologies para seu pacote de animação do visualizador avançado) e FBX (desenvolvido pela de
Kaydara) desenvolvidos com a ferramenta Blender, melhor elucidado na Seção 4.2.3, amplamente utilizada em jogos. Apesar de serem originalmente desenvolvido para modelos
animados, os formatos FBX e OBJ é também eciente para modelos estáticos.
67
4.2.2
Texturização UV
A aplicação de texturas é uma técnica importante que é utilizada para adicionar
realismo às cenas geradas por computador sem que seja exigida uma sobrecarga de processamento no sistema. Por meio da aplicação de textura é possível a simulação de vários
objetos (árvores, gramados, tecidos e outros) e situações (como sombreamento e iluminação estáticos) (DINIZ, 2010). Para a concepção das texturas mais realistas no ATreVEE
3D foi empregada a técnica de texturização UV.
O processo de texturização UV consiste na aplicação de um mapa de textura 2D em
um objeto 3D. Para tanto, é necessária a denição de um conjunto de coordenadas para a
descrição do mapa de textura em função das coordenadas cartesianas X,Y e Z do objeto
tridimensional (MULLEN, 2009).
O processo de mapeamento UV requer a conclusão de três etapas: a abertura da malha,
a criação da textura e a aplicação da textura. A abertura da malha consiste na criação das
coordenadas UV para cada vértice da malha tridimensional. A denição dessas coordenadas pode ser feita através do desdobramento da malha poligonal em função de costuras
denidas na malha tridimensional. Estas costuras podem ser feitas manualmente ou por
meio da utilização de alguma técnica computacional. O desdobramento da malha faz com
que os polígonos da malha sejam projetados em uma imagem 2D, denominada Mapa UV.
Uma vez que a malha está aberta, a textura pode ser criada individualmente para cada
polígono, com o mapa UV sendo usado como modelo. Quando a cena é renderizada a
textura é aplicada em cada triângulo de forma adequada (MULLEN, 2009).
Figura 27: Exemplo do processo de texturização UV em uma malha quadrangular de uma
esfera. Fonte: (DINIZ, 2010).
4.2.3
Construção e Texturização dos Modelos do ATreVEE 3D
Nesta seção, será apresentada a construção e texturização dos principais modelos
utilizados no simulador, para a representação das várias situações possíveis de serem
68
visualizadas na realização dos procedimentos.
Antes de começar a construção de um personagem ou objeto que fará parte do cenário,
é necessário planejá-los. E o planejamento é feito com escolhas como tamanho, formato,
cor, luz do cenário, textura, roupas, entre outras coisas, em que um personagem bem
planejado fará bem mais simples de ser modelado e animado, facilitando a vida do produtor e trazendo bons resultado ao meio digital ao qual está atrelado.
Estes foram devidamente associados à matérias utilizados no setor, como luva, chaves,
bota, cinto de segurança mãos do personagem, pois a imagem a ser apresentada para eles
visam sempre ser a mais realístico possível. Assim, o operador terá a percepção de que
está no ambiente de operação.
Com grande quantidade de faces e originalmente em formatos FBX ou OBJ, os objetos
foram adequadamente convertidos com o auxílio da ferramenta Blender técnicas presentes
em (BLENDER, 1998b), (BLENDER, 1998a), os modelos apresentados no simulador possuem
texturazão UV com resolução de 512x512 (Figura 28).
Figura 28: Textura do modelo tridimensional do personagem.
69
O processo de composição e texturização da mão é ilustrado detalhadamente na Figura
29. Na Imagem A, é mostrado todo o processo de construção da mão do operador, em
que inicialmente a mão é modelada com a ferramenta de modelagem. Na Imagem B o
objeto já passou pelo processo de texturização UV apresentado na Seção 4.2.2.Já na
Imagem C, o objeto recebe outra textura, utilizando também a técnica de texturização
UV, representando a mão do operador com um equipamento de trabalho.
Figura 29: Processo de construção e texturização da mão.
A Figura 30, apresenta os passos para modelagem e animação do personagem, na
Imagem A, apresenta um armadura simples do corpo do personagem, na Imagem B,
mostra a composição do corpo com objetos primários sobre a armature (é um tipo de
objeto usado para aparelhamento, o objeto armadura empresta muitas idéias a partir de
esqueletos reais. (BLENDER, 1998b)), a Imagem C ocorre a junção do armature com o
objetos primários, na Imagem D, inicia-se o processo de suavização do objetos primários
que compõem o personagem e correção de algumas falhas de junção note que neste passo
os objetos ainda estão separados uns dos outros. Na Imagem E estes objetos são agrupados
por vértices das extremidades dos objetos se tornando uma única malha.
O ciclo da animação destes objetos que compõem o cenario reúne uma série de arquivos
no formato Biovision Motion File (BVH ). O arquivo contendo o movimento capturado
(caminhar humano, movimentação das mãos, e outros) foi importado no Blender, convertido em armadura (forma de animar semelhante a skinned bones) (Figura 30) e, por m,
aplicado à malha encapsulando o movimento nos frames do arquivo do modelo nal.
O processo de texturização UV é suportado pela ferramenta de modelagem 3D Blender.
O Blender aceita a denição das costuras pelo usuário, cria automaticamente o mapa UV
de acordo com as texturas denidas, permite a exportação do mapa UV para edição em
71
sação de imersão que é a técnica utilizada pelo trabalho, é quando o operador tem a
sensação parcial de esta no ambiente simulado.
O modo de vizualização se refere à perspectiva gráca que segue do ponto de vista
do personagem controlado pelo operador, talvez o gênero mais notável a fazer uso dessa
perspectiva seja em primeira pessoa, onde a perspectiva gráca causa um grande impacto
na jogabilidade, dando ao operador quatro graus de liberdade de movimento (para à esquerda/à direita, para frente/para trás). Em duas das fases que apresenta o personagem é
possível mudar o modo de visualição do operador, e operador o personagem com os quatro graus de liberdade. A mudança de vizualização em procedimento pode ser adicionada
futuramente, as trocas de visualização existentes estão presentes em situações simples,
como a chegado do operador ao trabalho e a locomoção do personagem até o primeiro
procedimento, com o intuito de mostra o personagem com as roupas e ferramentas de
operação presentes apenas no modo sequêncial.
72
5
Conclusão e Trabalhos Futuros
Neste trabalho foram apresentados estudos sobre a utilização de RV na construção
de simulações com foco no ensino e treinamento de procedimentos do setor elétrico, foi
apresentado simulador utilizando RV para estudo e treinamento em troca de isoladores e
outras operações executadas pelos operadores e um sistema de avaliação acoplado a este
simulador.
No capítulo são detalhadas considerações sobre a pesquisa desenvolvida, evidenciamse os resultados alcançados a partir do desenvolvimento deste trabalho, bem como, se
tratar os principais desdobramentos antevistos em trabalhos futuros.
5.1 Considerações Sobre a Pesquisa
Alguns benefícios proporcionados pelos simuladores virtuais aplicados ao ensino de
operações do setor podem ser diretos, como os avanços imediatamente discerníveis no
desempenho individual e de equipes. A maioria dos benefícios ao contrário dos custos associados à criação/utilização dos simuladores virtuais relativamente pequenos comparados
com outras formas de treinamento, não são diretos, nem de fácil avaliação (DINIZ, 2010).
Apesar deste fato, é importante ressaltar que o sistema atual de educação, treinamento
e manutenção de prociência em conhecimentos do setor elétrico pode ser agregado e obter
resultados ainda mais satisfatorios com relação ao ensino aos seus operadores, tendo como
base o relatório apresentado em (COGE, 2011).
O projeto apresentou o desenvolvimento de uma plataforma de treinamento aberta
de procedimentos para o setor elétrico tendo inicialmente a execução de três operações
de risco realizadas pelo setor, sendo possível a adição de novas operações (plugins ) em
estudos futuros.
Inicialmente a plataforma será submetido a uma bateria de testes que serão realizados
com prossionais do setor, com objetivo o retorno melhor aproveitamento com relação
73
aos métodos de aprendizado empregados à prossionais do setor, os quais não formam
aplicados pela falta de tempo para agendamento com as companhias da região.
O ensino deste setor e prática em procedimentos pode ser melhorado se as sociedades
e a comunidade da área tornarem-se mais envolvidas no design, na implementação e na
avaliação das tecnologias de RV. Esse aumento no envolvimento contribuiria não só para
o desenvolvimento de aplicações de RV avançadas, mas também para a concepção de
componentes tecnológicos, tais como dispositivos de visualização, sensores hápticos e de
retorno de força, que podem potencializar os efeitos dos simuladores no ensino do setor
elétrico, aumentando o realismo empregado no treinamento de operadores do setor.
5.2 Resultados da Pesquisa
Como resultado, o presente trabalho apresenta um estudo sobre o emprego de simuladores virtuais para ensino e treinamento de procedimentos do setor elétrico. Investigou-se
a importância e relevância dos simuladores para procedimentos do setor elétrico. Propomos, assim, uma arquitetura para acelerar o desenvolvimento de aplicações de treinamento
e facilitar a introdução de novos procedimentos.
Foi demosntrado que o desenvolvimento de um simulador para o setor elétrico pode
ser desenvolvido com baixo custo, utilizando tecnologias acessíveis que possa possam vir a
agregar e melhor o trabalho nal. Como consequência do trabalho também foi detalhado
o desenvolvimento de um simulador virtual para ensino e treinamento de operadores do
setor e um sistema de avaliação acoplado a este simulador.
No contexto da avaliação de habilidades de operadores em procedimentos do setor
elétrico, sabe-se que há algumas diculdades destes serem avaliados de forma padronizada
nas mesmas condições. O que observamos, hoje, é que a relação entre aluno e professor
é caracterizada por estreita supervisão em uma série de situações, onde os princípios e
procedimentos ensinados muitas vezes são baseados, exclusivamente, nas interpretações
particulares de professores sobre a prática atual (COSMAN et al., 2002).
Outro fator importante é que as práticas que ocorrem em sala não apresentam diculdades para medir objetivamente o desempenho e o nível de conhecimento dos operadores
(SUEBNUKAN, 2009). Já em condições reais, presentes no cotidiano destes, obstáculos e
objetos não permanecem estáticos ao longo do tempo.
Com relação aos poucos trabalhos presentes na literatura, o simulador representa um
75
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70
Figura 30: Inicialmente mostra a armadura, e os passos realizados para a modelagem do
personagem no Blender (Fonte: (BLENDER, 1998b)).
Figura 31: Modelo tridimensional de um dos personagens equipado renderizado no
Blender.
uma ferramenta gráca externa (como Paint ou Photoshop) e realiza a renderização do
objeto tridimensional texturizado, como ilustrado na Figura 31.
Todos os objetos que compõem os cenários e as ferramentas utilizadas nas operações
realizadas pelo operador, passaram pelo mesmo processo no Blender, como casas, prédios,
postes, transformadores e personagem, todas ferramentas utilizadas por ele no treinamento
contendo seis graus de liberdades cada, a Figura 31 apresenta o personagem principal.
4.3 Módulos de visualização do ATreVEE 3D
Um sistema que utiliza a realidade virtual é classicado conforme o nível de interação/imersão que ele oferece. Esta imersão é quando o usuário é transportado predominantemente para o domínio da aplicação por meio dos dispositivos disponíveis, já a sen-
74
personagem ativo, executando as operações no cenário virtual dando ideia ao operador
de um ambiente real e de como ele deve se portar em uma operação do seu dia a dia. O
sistema de avaliação apresentado no simulador é rigoroso, procurando o aperfeiçoamento
do operador, visando, principalmente, o aprendizado das sequências operacionais a serem
realizadas. Também foi posto um cenário para escolha das ferramentas utilizadas na operação, em especíco, antes da realização das operações. Outro fator importante é o modo
demonstrativo, que serve de auxílio a operadores que tenham diculdade com relação à
sequência de ações.
5.3 Trabalhos Futuros
Como trabalhos futuros se pretende prosseguir a fase de avaliação do sistema com a
participação de mais especialistas e técnicos da área. Esta estimativa deve servir para que
sejam analisadas possíveis alterações, correções e/ou melhorias na plataforma de simulação
atual.
Além disso, almeja-se obter resultados de comparações entre grupos que tenham realizado o treinamento simulado e de operadores que tenham efetivado o treinamento
tradicional. Através desta comparação, é possível identicar os reais benefícios do uso do
simulador na transmissão de conhecimento.
Futuramente, pretende-se investigar quais os melhores dispositivos hapáticos que se
adéquem ao simulador como luvas sensoriais e/ou camboard pico e o próprio Kinect para
o manuseio e montagem das peças (objetos virtuais); assim aumentando a sensação de
imersão e realismo da simulação e tornar, desta forma, a execução dos procedimentos
ainda mais realísticos ao operador. Além disso, estender o software para operações que
são realizadas por mais de um operador, realizadas em rede, utilizando o mesmo ambiente
3D e dando alusão a operações realizadas em conjunto.
Dentro destas perspectivas de trabalho, pretende-se também fazer a modelagem dos
campos elétricos e magnéticos de dispositivos e equipamentos presentes na rede elétrica
e em subestações. Incluindo aos equipamentos aspectos físicos dos dispositivos e componentes do AtreVEE 3D. Com isso aumentar o realismo empregado no treinamento com uso
de componentes tecnológicos, tais como: dispositivos de visualização, sensores hápticos e
de retorno de força.
78
ANEXO A -- Imagens dos objetos interativos
do Simulador
Figura 32: Alicate utilizado pelo operador.
Figura 33: Isolador presente no poste.
Figura 34: Isolador presente no poste.
79
Figura 35: Protetor utilizado para protejer o operador do cabo de alta tensão.
Figura 36: Arame que prende o o ao isolador.

Dissertação Felipe Gonçalves - Sistemas de Comunicação e

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EDITAL 81-2014 - PUBLICAÇÃO DATAS CURSOS

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